Bienvenue sur le site d'astronomie de Romain Pittin.
La Lumière
Spectre électromagnétique de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique. Elle fait partie d'un ensemble de radiations de nature similaire mais dont les longueurs d'ondes sont différentes.
L'ensemble des ondes électromagnétiques forme un spectre continu qui est partagé en plusieurs domaines selon les valeurs des longueurs d'onde. Entre les ondes radio les plus longues et les rayons gamma les plus courtes, on trouve la partie du spectre "visible" cad perceptible par l'oeil humain.
On a coutume d'appeler plus communément lumière, l'ensemble des rayonnements électromagnétiques,que ceux-ci soient visibles par l'oeil humain (lumière blanche) ou non (infrarouge, ultraviolet, etc...).
La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Huygens (XVIIième) et par Fresnel (au XIXième).En 1864 les équations de Maxwell prédisent la vitesse des ondes électromagnétiques.
Les approches ondulatoires et corpusculaires furent réunies par Einstein lorsqu'il établit le modèle du photon en 1905 avec ses travaux sur l'effet photoélectrique.
La lumière a ainsi deux aspects : l’un corpusculaire, l’autre ondulatoire. L’aspect ondulatoire prévaut dans la propagation alors que lors d’une interaction avec la matière donnant lieu à la détection ou l’émission, de l’énergie et de la quantité de mouvement sont transférés via des photons. Nous nous bornerons à la simplicité de ce paradigme, il serait trop long de développer ici,les aspects de la physique quantique, débordant de ce fait du cadre de notre sujet; on peut cependant facilement trouver une bibliographie abondante sur ce sujet passionnant.
Fabriquer de la lumière
Il y a deux façons de "fabriquer" de la lumière et qui vont là aussi cohabiter! La première méthode consiste à chauffer un matériau. La seconde consiste à exciter les atomes.
Ce chauffage va se traduire par une émission de lumière dans toutes les longueurs d'ondes avec une répartition d'énergie (selon la longueur d'onde) , qui ne dépend que de la température. C'est Max Plank qui a établi cette loi de l'énergie émise en fonction de la longueur d'onde pour une température donnée. La loi est la même quelque soit le matériau utilisé.
Si la loi de Plank décrit la distribution de l'énergie W(λ) rayonnée en fonction de la température T du corps noir, la loi de Wien décrit la relation liant la longueur d'onde λmax, correspondant au pic d'émission lumineuse du corps noir, et la température absolue T, comme le montrent la relation et le graphique ci-dessous:
Cette relation est intéressante pour l'astronomie car l'on peut facilement calculer la température d'une étoile, en fonction d'un rayonnement de longueur d'onde connue, prenons par exemple 480nm
T = 2,898 x 10^⁻3 / 480 x 10⁻⁹ = 6440 K
La seconde méthode pour "fabriquer" de la lumière se fait par l'excitation des atomes!
Quels en sont les mécanismes et leurs conséquences? Cette question est d'importance mais il faut revenir au modèle de Bohr pour bien comprendre ce type de transition.
Dans l'atome de Bohr, symbolisé ci-dessous, les électrons gravitent autour du noyau mais de façon désordonnée; ils gravitent sur des orbitent dont l'une est l'orbite au repos. Exciter un atome consiste à lui arracher des électrons où à changer leur niveau d'énergie et donc leur changement d'orbite. La mécanique quantique nous apprend que si l'on apporte la quantité exacte d'énergie et à la bonne fréquence, alors l'électron va se retrouver sur une orbite de rang supérieur. En conséquence l'atome verra augmenter son niveau d'énergie! Mais la nature a "horreur" du désordre. Quand un atome est ainsi excité, il tend à retrouver son énergie d'équilibre et donc remplacer cet électron, mais cette énergie sera réémise sous forme d'un photon avec la fréquence caractéristique de la transition électronique concernée.
Nous avons résumé deux façons d'émettre de la lumière, dans le premier cas l'émission sera continue, dans toutes les directions et dans un grand nombre de fréquences. Dans le deuxième cas l'émission aura la fréquence caractéristique de la transition électronique du corps concerné; c'est en quelque sorte sa signature.
Il y a un élément d'importance: le photon possède une énergie mais il est dénué de masse, l'information qu'il détient peut ainsi voyager pendant des millions d'année lumières sans pour autant que cette information en soit altérée! Si une toute petite fraction l'était, nous ne pourrions faire aucune observation.
Nous verrons dans la page spectroscopie, comment mettre à profit les propriétés de la lumière que nous venons d'aborder.