Spectroscopie : une clé pour analyser le monde invisible

Les grandes étapes de la spectroscopie à travers l’histoire

La Lumière Visible de l'infrarouge à l'ultraviolet n'est qu'une petite plage de vibrations du spectre électromagnétique, cependant elle a une importance particulière car c'est la principale information traduite par nos yeux, concernant notre environnement.

Joseph von Fraunhofer (1787-1826) est le premier à avoir remarqué en 1814, dans la lumière visible du spectre solaire, les raies dites de Fraunhofer. Cet opticien et physicien allemand inventa le spectroscope en 1815 et fut le premier à étudier la diffraction de la lumière à l'aide de réseaux optiques (diffraction de Fraunhofer).

A cette époque on ne connait pas la raison de la présence de ces raies de Fraunhofer dans le spectre visible de la lumière. Ce n'est que bien plus tard en 1860, que Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) et Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) découvrent que les raies spectrales de la lumière émise par un corps incandescent, constituent une signature permettant d'identifier ce corps. En observant le spectre de la lumière solaire, ils reconnaissent plusieurs éléments chimiques présents sur Terre dont le césium et le rubidium. Le Soleil contient donc les mêmes éléments chimiques que la Terre, c'est une surprise !

L'histoire de la lumière passe par une succession d'étapes marquantes de la physique : Christian Huygens et sa théorie ondulatoire en 1678, l'expérience de Young en 1801, les raies de Fraunhofer en 1814, la diffraction de Fresnel en 1815 (description du caractère ondulatoire de la lumière), le spectre solaire de Bunsen et Kirchhoff en 1850, l'électromagnétisme de Maxwell en 1864, la raie jaune inconnue de l'hélium en 1895, jusqu'à Max Planck (1900) et Albert Einstein (1905) pour la nature corpusculaire de la lumière.

La spectroscopie, outil essentiel pour décrypter l'Univers

La spectroscopie nous révèle la nature de l'Univers en fournissant une multitude d’informations inattendues, souvent bien au-delà de nos attentes. Dès l’observation de la couleur – une simple propriété de la lumière –, nous obtenons des données précieuses. Par exemple, les étoiles bleues, jeunes et extrêmement chaudes, contrastent avec les étoiles rouges, plus âgées, moins massives et moins chaudes. Ce principe s’applique aussi aux galaxies, dont la teinte dominante (bleue ou rouge) permet d’estimer leur âge.

Le spectre électromagnétique, une mine d’informations

La spectroscopie consiste à analyser le spectre de la lumière, qu’elle soit visible ou non, couvrant tous les types de rayonnements, des ondes radio aux rayons gamma. Lorsqu’on décompose la lumière provenant d’un objet céleste, on observe des raies d’émission (bandes colorées sur fond noir) et des raies d’absorption (lignes sombres sur un fond coloré). Ces raies reflètent les niveaux d’énergie des atomes traversés par la lumière, révélant ainsi leur composition chimique.

De la composition à la dynamique des astres

En étudiant l’épaisseur de ces raies, les scientifiques déterminent l’abondance des éléments : plus une raie est marquée, plus l’élément est présent en grande quantité. La spectroscopie permet aussi de mesurer le mouvement des objets célestes grâce à l’effet Doppler-Fizeau (1842).

Grâce à ces techniques, les astronomes peuvent reconstituer la composition chimique, la dynamique et même la structure d'objets aussi variés que les étoiles, les galaxies, les quasars ou les nuages interstellaires. La spectroscopie est ainsi une fenêtre ouverte sur l'intimité de l'Univers.

La spectroscopie : une clé pour décrypter l'Univers

Lorsqu’un élément chimique est traversé par de la lumière blanche, il absorbe certaines longueurs d’onde, laissant apparaître des raies noires dans le spectre de diffraction. Ces raies d’absorption, caractéristiques des éléments, servent de signature chimique. Ainsi, en analysant la lumière blanche provenant d’une étoile après son passage à travers les ions de son atmosphère, nous pouvons déterminer sa composition chimique.

Fait remarquable : les raies d’absorption d’un élément correspondent exactement à ses raies d’émission (comme le montre l’exemple du lithium sur l’image). Autrement dit, un élément absorbe les mêmes radiations qu’il peut émettre, avec des longueurs d’onde identiques.

Applications de la spectroscopie

Rotation des galaxies : En mesurant les décalages spectraux des étoiles, on reconstruit la courbe de rotation des galaxies. Contrairement aux attentes, les étoiles en périphérie se déplacent aussi vite que celles du centre, trahissant la présence de matière noire.

Sursauts gamma : Ces brefs éclairs de rayonnement gamma (quelques secondes) laissent une faible lueur visible. Leur spectre révèle la composition des étoiles lointaines, offrant un aperçu de l’Univers jeune. Grâce à cela, nous savons que les lois physiques et les éléments chimiques sont uniformes dans tout l’Univers observable.

Rayonnement fossile : La spectroscopie a confirmé que sa température est de 2,7 K, prouvant que l’Univers était plus chaud par le passé.

Enfin, cette technique ne se limite pas au visible : elle s’étend des ondes radio (basses énergies) aux rayons X et gamma (hautes énergies), en faisant un outil universel pour explorer le cosmos.