Les étoiles, comment les étudier sans jamais y mettre les pieds
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Leçon n° 3 : I- Les étoiles 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. Fonctionnement d’un spectroscope II- 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 ère 1 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 λ (nm) Indice n Bleue 450 1,668 jaune 500 1,654 rouge 700 1,640
