Les étoiles, comment les étudier sans jamais y mettre les pieds

Leçon n° 3 : Les étoiles
I- La lumière émise par les étoiles
1) Expérience historique de Newton, découverte de la spectroscopie et analyse de la lumière
Newton disperse la lumière blanche grâce à un prisme et obtient le spectre continu de la lumière blanche.
La lumière rouge issue du laser ne peut pas être décomposée par un prisme.
Une telle lumière est dite monochromatique ou constituée d'une seule radiation monochromatique (chromos
signifie couleur en grec et mono pour un).
Au contraire, dans la lumière blanche coexistent des radiations monochromatiques différentes correspondant aux
différentes couleurs observées sur l'écran. On la qualifie donc de
polychromatique.
A toute radiation monochromatique est associée une longueur
d'onde précise, notée λ, qui s'exprime en mètre.
Exemple : Le laser rouge hélium-néon émet une radiation de
longueur d'onde λ = 632,8 nm (ou 0,63 μm).
2) Réalisation et étude de différents spectres
 Un spectre est une figure colorée qui permet d’identifier la composition d’une source lumineuse.
 Il existe deux types de spectres :
- Les spectres d'émission associés à la lumière émise par une source lumineuse ;
- Les spectres d'absorption associés à la lumière ayant traversé la matière (solution ou gaz à faible
pression).
 Le montage expérimental, permettant
d’obtenir un spectre est le suivant :
 Spectres continus d’origine thermique
Un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression) émet une lumière dont le spectre est continu.
Lorsque la température s'élève, le spectre continu d'émission devient de plus en plus lumineux et s'enrichit de
couleurs verte, bleue et violette.
 Spectre de raies d’émission
Un gaz, à basse pression et à température élevée, émet une lumière constituée d'un nombre restreint de radiations :
on obtient un spectre de raies d'émission (constitué de quelques raies fines colorées, se détachant sur fond noir).
 A chaque raie correspond une radiation monochromatique de longueur d'onde dans le vide bien déterminée.
 Un spectre de raies d'émission permet d'identifier une entité chimique ; c'est la "signature" de cette entité
chimique (atome ou ion excité).
 Spectres de raies d’absorption
Lorsqu'un gaz, à basse pression et à basse température est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la
lumière transmise est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche :
c'est un spectre de raies d'absorption. Le gaz absorbe les radiations qu'il serait capable d'émettre s'il était chaud.
 Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu'elle est capable d'émettre.

 Spectres de bandes d’absorption
Lorsqu'une solution colorée est traversée par de la lumière blanche, le spectre de la lumière obtenue présente des
bandes noires sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c'est un spectre de bandes d'absorption.
3) Classification et composition des étoiles
Nos connaissances sur la structure des étoiles proviennent uniquement de l'analyse
du rayonnement que nous en recevons.
La lumière émise par le cœur de l'étoile traverse les gaz à faible pression
contenus dans l'atmosphère qui l'entoure. Les entités chimiques
constituant ces gaz absorbent certaines radiations, faisant apparaître de
fines raies noires sur un fond continu. Ces radiations manquantes
permettent de déterminer la nature des éléments chimiques présents dans
cette atmosphère.
Le spectre de la lumière issue d'une étoile permet d'obtenir des informations sur sa température de surface et la
composition chimique de son enveloppe externe.
II- Fonctionnement d’un spectroscope
1) Tour de magie
Lorsque la lumière traverse la surface séparant deux milieux transparents différents, elle subit un changement de
direction : c'est le phénomène de réfraction.
2) La réfraction et les lois de Descartes
1ère Loi
Attention :
- les angles sont toujours définis par rapport à la normale.
- Lors d’une réfraction, le rayon traverse la normale et le dioptre.
Les rayons réfracté, réfléchi et incident se trouve dans le plan d'incidence (plan
perpendiculaire à la surface de séparation).
2ème loi nincident . sini = nréfracté . sinr et i = i’
où nincident et nréfracté sont respectivement les indices de réfraction des milieux transparents 1 et 2.
 L'indice de réfraction est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide sur la vitesse de la lumière
dans le milieu considéré : n = c / v
n est un nombre sans dimensions qui est toujours supérieur à 1 puisque la vitesse de la lumière est
toujours plus grande dans le vide.
3) Principe du spectroscope : Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière ?
L'indice d'un milieu transparent, autre que le vide (et l'air), dépend de la longueur d'onde de la lumière : ce milieu
est dispersif.
Exemple :
Prisme en verre flint.
Couleur
Bleue
jaune
rouge
λ (nm)
450
500
700
Indice n
1,668
1,654
1,640