Le Spectre électromagnétique

Le Spectre électromagnétique 

La lumière que nous percevons grâce à nos yeux ne représente qu'une infime partie des rayonnements qui existent dans l'univers. Des rayons gamma jusqu'aux ondes radio, les télescopes actuels se servent de ces rayonnements pour sonder l'univers.

Il peut paraître bizarre que la lumière que l'on a toujours associé à l'idée de vision pourrait être invisible. Pourtant c'est le cas de la plupart des rayonnements de l'univers. La lumière visible correspond à une gamme de rayonnements électromagnétiques de longeurs d'onde situées entre 400 et 800 nm. Mais il existe d'autres types de "lumières", de longueurs d'ondes plus courtes ou plus longues, invisibles à l'oeil humain : ondes radio, infrarouges, ultraviolets, rayons X, rayons gamma. C'est l'ensemble de ces rayonnements qui constituent le spectre électromagnétique. 

Nature de la lumière

Selon la façon dont on étudie la lumière, celle-ci peut se comporter de manière différente : soit comme une onde, soit comme un corpuscule. C'est ce qu'on appelle la dualité onde-particule, un principe élémentaire de la physique quantique (physique des particules). 

Corpuscule

Un rayonnement électromagnétique peut être considéré comme un groupement de minuscules "paquets" ou quanta d'énergie, les photons. Ces minuscules particules ne possèdent pas de masse mais transportent une quantité d'énergie définie en fonction de leur longueur d'onde. Plus celle-ci est courte, plus le photon a de l'énergie. Ainsi les photons de lumière bleue sont plus énergétiques que les photons de lumière rouge. 

C'est en 1905 que Einstein affirme que la lumière est émise et absorbée de façon discontinue, mais que sa nature même est discontinue : il la décrit comme "granulaire". Il affirme également que la structure granulaire de la lumière ne l'empêche pas de garder certaines propriétés des ondes. 

La nature corpusculaire d'un rayonnement peut être démontrée par l'effet photoélectrique. Si l'on bombarde d'une lumière bleue (énergétique) une plaque métallique, des électrons sont expulsés du métal. La même expérience réalisée avec une lumière rouge (peu énergétique) ne produira aucun effet. 

Une plaque de sodium métallique est bombardée par un flux de photons. La plaque expulse des électrons. C'est l'effet photoélectrique.

Onde

Dans la plupart des situations, le rayonnement électromagnétique se comporte comme une onde (ou comme une vague). Il possède une longueur d'onde (distance entre deux crêtes) et une fréquence (nombre d'onde par seconde). Cette nature apparaît lorsqu'on étudie la propagation d'un flux de photons dans le vide. Sous ce point de vue, il est impossible d'observer la trajectoire d'un photon : le flux est continu, la lumière se comporte comme une onde. On peut démontré la nature ondulatoire de la lumière par l'expérience des deux fentes. 

Si on oriente un faisceau lumineux vers une carte percée de deux fentes, la lumière se diffracte : les ondes lumineuses se répandent et émergent de chaque fente sous forme d'arc. Les deux trains d'ondes interfèrent alors, et dessinent sur l'écran des bandes claires et sombres. 

La lumière traverse les fentes, se diffracte et laisse apparaître un modèle d'interférence sur l'écran. Tiré du livre Le Ciel et L'Univers (Gallimard)

Cette dualité des rayonnements électromagnétiques est très bien expliquée dans cette vidéo du docteur Qwantum. 

Les différents types de rayonnements

La grande diversité des objets de notre univers permet de couvrir l'ensemble du spectre électromagnétique. Plus les longueurs d'onde sont courtes, plus l'énergie transportée par les photons est grande. Certains objets assez complexes comme les galaxies ou les vestiges de supernova peuvent émettre dans pratiquement toutes les longueurs d'onde. Les objets froids auront plus tendance à émettre des photons peu énergétiques, que l'on captera donc dans les grandes longueurs d'onde (ondes radio, infrarouges). Les photons très énergétiques seront émis par des objets très chauds comme les gaz des amas de galaxies. On les observera dans la tranche des rayons X ou gamma. Mise à part cette différence de longueur d'onde, un rayonnement électromagnétique se propagent dans le vide à environ 300 000 km/s. 

Les ondes radio

C'est le moins énergétique des rayonnements du spectre électromagnétique, c'est à dire celui qui présente les plus grandes longueurs d'onde. Par convention, on admet que le rayonnement radio s'étend de 1 mm à plusieurs kilomètres. On entend également parler d'un sous-domaine appelé les "micro-ondes". C'est la partie du spectre qui s'étend de 1 mm à 30 cm (limite arbitraire). 

La propriété principale de ce rayonnement est d'être peu stoppé par l'atmosphère ce qui en fait un support privilégié pour la transmission de l'information. On classe généralement les ondes radio en fonction de leur fréquence (mesurée en Hertz). Plus la fréquence est grande, plus la longueur d'onde est petite. De 0,3 à 30 Hz, ce sont les ELF (Extremely Low Frequency). De 30 à 300 GHz, on parle d'EHF (Extremely High Frequency). 

La radio FM et la télévision correspondent à des longeurs d'onde de 1 m (0,3 Ghz). Les téléphones cellulaires utilisent quant à eux des longeurs d'onde de 10 cm (2,4 GHz). 

Mais les rayonnements radios sont aussi émis par les astres, que l'on capte avec de grandes antennes paraboliques. Le VLA (Very Large Array) est un réseau de radiotélescope situé au Nouveau-Mexique dont le but est d'obtenir des clichés en radio du ciel. La résolution reste toutefois assez faible à cause des grandes longueurs d'onde. Les communications terrestres perturbent parfois le travail des radiotélescopes, travaillant dans la même gamme de longueur d'onde. 

Le VLA au Nouveau-Mexique (USA). C'est un réseau de 27 antennes de 25 m de diamètre.

Les Infrarouges

Dans l'ordre (décroissant) des longeurs d'onde, après le rayonnement radio viennent les infrarouges. Cette gamme de longueur d'onde du spectre électromagnétique est située juste en dessous du rouge, d'où son nom. On fixe ses limites entre 780 nm et 1 000 000 nm. Ce rayonnement est naturellement invisible à l'oeil nu, mais certains animaux et insectes sont capables de le percevoir. 

La particularité de ce rayonnement est qu'il est associé à la chaleur. Un corps chaud émettra plus de rayons infrarouges qu'un corps froid. De même, un corps soumis au rayonnement infrarouge va chauffer. Pour étudier la température dans l'univers, l'utilisation du domaine infrarouge est donc très pratique. 

Pour pouvoir les capter, la NASA a envoyé un satellite, Spitzer. Lancé en août 2003, il est le plus grand télescope infrarouge en orbite autour de la Terre. Il a permis de révéler des structures et des détails de nuage protostellaires jamais vus jusque-là. Ses instruments sont refroidis à une température proche du zéro absolu, de façon à ce que sa propre chaleur n'influe pas sur ses observations. 

Néanmoins, la majorité des observations infrarouges reste implanté sur Terre. On peut citer par exemple l'Observatoire Infrarouge du Wyoming (WIRO pour Wyoming Infrared Observatory) qui abrite un télescope de 2,30 m de diamètre.

Le WIRO, télescope infrarouge situé dans l'état du Wyoming (USA).

Lumière visible

La lumière visible est l'ensemble des rayonnements électromagnétiques perceptibles par l’œil humaine. Il ne représente qu'une infime partie du spectre. Habituellement, on considère que les radiations visibles par l’œil humaine sont comprises entre 380 et 780 nm. On observe l'ensemble des rayonnements de la lumière visible quand on décompose la lumière blanche. Elle s'étend du rouge (la plus longue) au violet (la plus courte). 

Sur cette image, la lumière blanche est décomposée, laissant apparaître l'ensemble des rayonnements de la lumière visible.

C'est dans cette gamme de longueur d'onde que peut observer un amateur d'astronomie. Ceux-ci utilisent des télescopes d'environ 200 mm de diamètre alors que les professionnels atteignent des diamètre de plusieurs mètres (VLT). Le télescope spatial le plus connu fournissant des images en lumière visible est Hubble, lancé par la NASA en avril 1990. 

Les ultraviolets

Nous arrivons aux longueurs d'onde trop courtes pour être perçues par notre oeil. Les ultraviolets sont situées juste au dessus du violet dans l'ordre du spectre électromagnétique. Ils ont une longueur d'onde comprise entre 20 nm et 400 nm. 

Ce rayonnement n'est pas complètement absorbé par l'atmosphère. Ce sont eux qui permettent le bronzage. Mais à trop forte dose, ceux-ci peuvent être dangereux pour la santé et provoquer des cancers. 

Cette composite d'image en lumière visible et en ultraviolet révèle de puissantes émissions UV (bleu-blanc).

Ce sont des télescopes spatiaux qui observent le ciel en ultraviolet. Parmis eux, le satellite Extreme Ultraviolet Explorer de la NASA a recensé des sources de rayonnement ultraviolet extrêmes (très courtes longueurs d'onde). L'ultraviolet émane de sources chaudes : naines blanches, étoiles à neutrons ou galaxies de Seyfert. 

Les rayons X

Les rayons X sont intégralement stoppés par l'atmosphère. Leur longueur d'onde est comprise entre 0,005 nm et 10 nm. Ils sont donc très énergétiques. 

L'énergie des rayons X est assez grande pour qu'ils traversent tous les tissus du corps humain sauf les os que l'on perçoit en blanc sur les radiographies. 

Radiographie effectuée avec des rayons X. Seules les os sont visibles.

Ils sont si énergétiques qu'ils traversent les miroirs conventionnels. Les télescopes X utilisent des cylindres métalliques étroits finement polis, dits à faible incidence. Les rayons X rebondissent sur ces miroirs et vont se réfléchir au foyer. Le plus connu des télescopes X est l'observatoire spatial X Chandra. Il a fourni des informations nouvelles inattendues comme des images du trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée, ou certaines images de restes de supernova. 

Les rayons gamma

Les rayons gamma sont les plus dangereux du spectre électromagnétique. Ils possèdent une énergie considérable qui leur permet de traverser des solides. On ne peut pas obtenir d'images fines des rayons gamma, trop puissants pour pouvoir être focalisés. Ils sont produits lors des événements les plus violents (hypernovae, bombe atomique, désintégration radioactive etc...). 

Une image en rayons gamma du ciel. La résolution est faible à cause de la grande énergie des photons.

Le télescope spatial Compton a étudié dans les années 1990 le rayonnement gamma des supernova, des pulsars et des sursauts gamma. 

Etude du spectre électromagnétique

La suite logique de cet article serait de comprendre comment cette lumière est exploitée pour mieux comprendre la composition, la température etc. des astres observés. La technique la plus courante et la plus efficace est la spectroscopie, ou l'étude des raies dans un spectre.