Lumière zodiacale

Qu'est-ce que la lumière zodiacale ?

La bande zodiacale ou lumière zodiacale est une pâle bande de lueur blanche diffuse, en forme de cône, perçue depuis la surface de la Terre dans le ciel nocturne et qui s'étend le long du plan de l'écliptique. Cette lueur est produite par la réflexion de la lumière du Soleil sur les particules de poussières du disque zodiacal.
Ce disque de poussières s'étend entre Mercure et Mars. La quantité de particules de poussière nécessaire pour produire la lumière zodiacale est extrêmement faible, il suffit d'une particule par km.
La lumière zodiacale apparait toujours dans les constellations du zodiaque, d'où son nom. La raison pour laquelle la lumière zodiacale n'est pas visible toute l'année est sa faible densité. Pour la voir, l'écliptique doit se situer verticalement par rapport à l'horizon, ce qui n'arrive qu'en février-mars et septembre-octobre.
L'influence gravitationnelle de la Terre sur les poussières du nuage zodiacal a été mise en évidence par les satellites IRAS en 1994 et COBE en 1995. La Terre a pour effet de retenir les poussières qui ont tendance à retomber sur le Soleil sous l'effet Poynting-Robertson (voir nota). Un anneau de poussière se forme alors, le long de l'orbite de la Terre, qui va se refléter dans l'atmosphère dans certaines conditions. Sur la droite de cette image prise en juillet 2009 à Laguna Verde, près de Valparaiso, au Chili, on aperçoit cette bande verticale grossièrement triangulaire de lueur blanche et diffuse.

Sur la gauche de l'image s'étend l'immense bande lumineuse de la Voie lactée qui s'oppose à la petite lumière zodiacale. Les poussières du disque zodiacal tournent autour du Soleil sensiblement dans le même plan que les planètes, le plan de l'écliptique. Lorsque l'écliptique est quasiment verticale à l'horizon, comme sur cette image, peu avant le lever du Soleil, la lumière zodiacale se diffuse aussi verticalement dans l'atmosphère, la pointe du "triangle" vers le haut.
Les périodes d'observation de la lumière zodiacale pour les habitants de l'hémisphère nord, sont les mois de mars et avril, juste après le coucher du Soleil ou octobre, juste avant l'aube. Dans l'hémisphère sud, la lumière zodiacale est visible à la fin de l'été après le coucher du soleil, ou à la fin du printemps avant le lever du Soleil.
On trouve peu de traces d'observations de cette lueur, avant celles de Jean-Dominique Cassini (1625 - 1712) effectuées entre 1683 et 1693. Grâce aux interféromètres on a détecter des disques zodiacaux autour de jeunes étoiles (YSO). L'exo-lumière zodiacale est aussi un phénomène qui provient de la réflexion de la lumière des étoiles sur les poussières qui l'entourent. L'étude de ces disques de poussières permet aux scientifiques de voir si des planètes sont en formation autour de l'étoile. En effet la morphologie du disque ténu de poussière peut fournir des indications indirectes sur la présence de planètes.

Image : Sur cette image prise en juillet 2009 à Laguna Verde, près de Valparaiso, au Chili, on aperçoit la lumière zodiacale un peu sur la droite. Cette lueur est produite par la réflexion de la lumière du Soleil sur les particules de poussières du disque zodiacal. La lumière zodiacale s'observe, lorsque le ciel est très pur, aux latitudes moyennes nord en regardant vers l'ouest au printemps, après le crépuscule ou vers l'est à l'automne, juste avant l'aube. Sur la gauche de l'image s'étend l'immense bande lumineuse de la Voie lactée qui s'oppose à la petite lumière zodiacale. Crédit & Copyright: Manel Soria.

Une lumière zodiacale en Namibie

Sur l'image ci-contre, on voit un exemple de lumière zodiacale en Namibie. Cet insolite "triangle" de lumière était visible avant l'aube. Jadis on pensait que c'était une fausse aurore, mais cette pointe verticale de lumière est en réalité la lumière zodiacale, c'est-à-dire de la lumière solaire réfléchie par les particules de poussières du disque zodiacal du système solaire. Des simulations numériques ont montré que la présence d'une planète dans un disque de poussière pouvait modifier profondément la morphologie du disque par résonances gravitationnelles. Les empreintes laissées par une planète sont des asymétries, comme un "vide" de matière à l'intérieur de son orbite. L'influence gravitationnelle de la Terre sur les poussières du nuage zodiacal a pu être mise en évidence grâce aux observations du satellite IRAS et aussi du satellite COBE. La Terre a pour effet de retenir les poussières qui ont tendance à tomber sur le Soleil sous l'effet Poynting-Robertson. Il se forme alors, le long de l'orbite de la Terre, un anneau de poussière qui présente des asymétries. Le rapport entre la luminosité des grains et la Luminosité du Soleil est de 10^-7.
La lumière zodiacale est visible en bas à droite de l'image, elle a été prise juste après le coucher du Soleil en Namibie, dans l'hémisphère sud, en juin 2009.

On aperçoit aussi, la bande centrale de la Voie lactée, notre galaxie, qui s'enroule autour du ciel en arc de cercle. La qualité du ciel nocturne est parfaite, les petites taches visibles sous l'arche de la Voie lactée sont les galaxies du Petit et du Grand nuage de Magellan, deux galaxies de notre amas de galaxies.
Les poussières zodiacales relativement brillantes, tournent autour du Soleil sensiblement dans le même plan que les planètes, c'est-à-dire sur l'écliptique.
En Namibie (hémisphère sud), la lumière zodiacale est plus facilement visible après le coucher du Soleil à la fin de l'automne, en juin comme sur cette image ou avant le lever du Soleil à la fin du printemps.

N. B. : L'effet Poynting-Robertson, (John Henry Poynting et Howard Percy Robertson) est l'effet de la radiation qui provoque la descente en spirale des fines particules de poussière dans un système solaire. L'effet modifie le mouvement orbital des grains de poussières provoquant un léger décalage de la pression radiale de la radiation solaire, ce qui ralentit leur orbite et les fait chuter. De plus cet effet tend à réduire l'excentricité de l'orbite de la micropoussière en plus de la tirer vers l'étoile.

Image : Le spectre de la lumière zodiacale est le même que celui du Soleil. Une partie de la lumière absorbée par les poussières est réémise sous forme de radiation infrarouge. La lumière zodiacale est visible en bas à droite de l'image, elle a été prise juste après le coucher du Soleil en Namibie, dans l'hémisphère sud, en juin 2009. Crédit & Copyright: Rudi Dobesberger (Sternfreunde Steyr).

Origine des poussières

La poussière du disque zodiacal n'est pas un résidu des poussières qui entourent l'étoile lors de sa formation. A cause de l'effet Poynting-Robertson, les fines poussières (jusqu'à 1 µm) disparaissent de l'environnement de l'étoile (jusqu'à 100 UA de l'étoile), très tôt après sa formation (≈1 million d'années). Donc la présence dans le disque zodiacal de grains de silicates autour de quelques microns jusqu'au mm, nécessite une régénération continue des particules de poussière qui composent ce nuage.
Les poussières cométaires et les poussières générées par les collisions entre astéroïdes sont responsables de la régénération du nuage qui produit la lumière zodiacale et le Gegenschein. Les matériaux qui génère la lumière zodiacale sont essentiellement les grains de matière éjectés par les queues des comètes (85 %) lors de leur passage au plus près du Soleil.

Ces poussières sont réparties dans un volume en forme de lentille centrée sur le Soleil et s'étendent entre Mercure et Mars.
En résumé, globalement l'ensemble de notre système solaire baigne dans un nuage de poussière libéré par les collisions mutuelles entre astéroïdes et par les queues de comètes lors de leur passage près du Soleil. Même si toute cette poussière s'effondre vers le Soleil, un nuage tenu, ellipsoïde, centré sur notre étoile est régénéré continuellement et sa densité augmente vers son centre.
Dans d'excellentes conditions d'observation nocturne, quand on regarde dans la direction du soleil et dans la direction antisolaire, nous pouvons voir la lumière réfléchie par cette poussière. La lumière zodiacale est évidemment plus lumineuse à proximité du Soleil. La lueur antisolaire (le Gegenschein) est plus subtile.

Image : Le noyau (15 km) de la comète de Halley a été photographiée en 1986, par la sonde spatiale européenne Giotto. Les poussières cométaires sont responsables de la régénération du disque zodiacal.

Le Gegenschein

Le Gegenschein (lueur opposée en allemand) ou lueur antisolaire, est une faible lueur dans le ciel nocturne, diamétralement opposée au Soleil. Le Gegenschein est encore plus faible que la lumière zodiacale, toute lumière supplémentaire dans le ciel rend impossible son observation. Son spectre est identique à celui du Soleil, comme la lumière zodiacale, c'est aussi une lumière solaire réfléchie par les grains de poussière dans le plan de l'écliptique. Hendrik Christoffel van de Hulst a montré que les particules de poussière responsables de ces deux phénomènes ont environ 1 mm de diamètre et doivent être séparés, en moyenne, d'environ 8 km. La lumière du soleil absorbée par les particules est réémise sous forme de rayonnement infrarouge invisible. Le Gegenschein de forme ovale, mesure quelques degrés de large sur 10 à 15° de long, sur le plan de l'écliptique. La meilleure période pour l'observer est l'automne, dans la constellation des Poissons, par une nuit sans Lune et dans un endroit où le ciel est parfait comme sur cette image.

Le Gegenschein a d'abord été décrit en 1730 par l'astronome jésuite français et professeur, Esprit Pezenas (1692-1776). Mais c'est Humboldt qui a donné son nom allemand au phénomène et l'astronome danois Theodor Brorsen proposa la première explication correcte du phénomène lumineux.

Image : Le Gegenschein est une légère lueur ovale dans le ciel nocturne, opposée au Soleil, dans la région de l'écliptique. Le Gegenschein, est encore plus faible que la lumière zodiacale. L'image a été obtenue par Yuri Beletsky en Octobre 2007 à l'aide d'un appareil photo numérique équipé d'un objectif grand-angle de 10 mm et installé sur une monture équatoriale portable. La transparence du ciel proche de la perfection, a permis de capturer la structure fine du Gegenschein. Crédit image : ESO. Observatoire du Cerro Paranal, situé dans le désert d'Atacama au nord du Chili, à une altitude de 2 635 m.