Les multiples facettes de l`Univers Observation en fonction de la

S. Bourdreux – Initiation à l’astronomie
Les multiples facettes de l’Univers
Observation en fonction de la longueur d’onde
En 1666, Isaac Newton consigne une expérience capitale dans laquelle il est parvenu à décomposer la
lumière du Soleil à l’aide d’un prisme de verre ; il baptise alors « spectre » le résultat obtenu. Ce
phénomène de dispersion est responsable des arcs-en-ciel ou encore des irisations que l’on peut observer
dans les bulles de savon. Le savant britannique n’était pas le premier à réaliser l’expérience (Grimaldi,
1665, et quelques références dans l’Antiquité), mais le premier à en proposer une interprétation sur la
nature de la lumière et à formuler une théorie cohérente des couleurs.
Cette illustration est une copie colorisée de la photogravure (cf Aquarian Gallery)
publiée par Selmar Hess en 1894 reproduisant une peinture réalisée par Loudan.
Classiquement, le spectre de la lumière blanche comporte sept couleurs (celles dite de l’arc-en-ciel), mais
il se trouve qu’en réalité, elles sont bien plus nombreuses qu’il n’y paraît. Les différentes nuances
artistiques (caca-d’oie, poussin, canari, moutarde, etc… pour le jaune, par exemple) ne suffisent pas à
décrire la palette observée. En fait, tout ceci n’est que la partie émergée de l’iceberg que représente la
nature de la lumière, LA question à laquelle la Physique a longtemps cherché à répondre…
Au XIXème siècle, en essayant d’expliquer concomitamment les phénomènes
électriques et magnétiques à l’aide du concept de champ, le physicien écossais
James Clerk Maxwell (ci-contre) développe une théorie tout à fait
révolutionnaire : l’électromagnétisme. En 1863, il découvre qu'en manipulant ses
équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui
correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il
commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font
qu'un.
Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et
aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de
cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante
électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale (mais qui, malheureusement, n’est pas
facile à visualiser « concrètement »).
L’expérience des trous d’Young (1801) ne peut être interprétée qu’à l’aide
d’un modèle ondulatoire de la lumière ; là où les rayons de l’optique
géométrique prévoient une image simple des deux trous, le formalisme des
ondes lumineuses explique l’alternance des franges concentriques claires
et sombres que l’on observe.

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Dans ce modèle ondulatoire de la lumière, les nuances de couleur sont remplacées par des nombres : à
chaque nuance est associée une longueur d’onde. Par exemple, dans l’air, du violet à 400 nm ; du jaune à
550 nm ; ou encore du rouge à 750 nm.
De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles au-
delà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Voici la partie invisible de l’iceberg : des ondes
électromagnétiques, il en existe a priori autant que l’on peut imaginer de valeurs de longueurs d’onde. Par
malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en
1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie.
En 1888, ce sera pourtant la consécration pour Maxwell : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz
parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que
celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande
que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet. Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom « d'ondes
radio ». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du
télégraphe et de la radio.
Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-en-
ciel. Voici à quoi il ressemble :
Expérience de Hertz : Hertz réalise un oscillateur à
l’aide d’une bobine et d’un condensateur composé de
deux sphères. Les oscillations du courant électrique
dans ce dispositif sont à l’origine d’une onde qu’il
détecte avec un petit résonateur composé d’un anneau
métallique presque refermé. Le courant créé par l’onde
dans cette antenne provoque une étincelle.
Onde électromagnétique : au passage d’une onde
électromagnétique, un champ électrique et un champ
magnétique oscillent de concert en chaque point de
l’espace. Tous deux sont perpendiculaires à la direction
de propagation de l’onde et entre eux.

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Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des
raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter
les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies
par ce que nos yeux peuvent détecter.
Classés des plus grandes aux plus
petites longueurs d’onde, on distingue
le domaine radio, l’infrarouge, le
domaine visible (auquel nos yeux
sont sensibles), l’ultraviolet, le
domaine X, et le domaine gamma. La
lumière visible représente une infime
partie du spectre électromagnétique.
Les rayons γ(gamma) sont les plus violents. Ils traversent facilement de grandes épaisseurs de
matière et sont donc dangereux pour les cellules humaines, dans lesquelles ils produisent des
mutations. De la matière très chaude ou radioactive produit des rayons gamma. Leurs longueurs
d’onde s'étendent d’un cent milliardième (10-14 m) à un milliardième (10-12 m) de millimètre.
Les rayons X sont eux aussi violents. Utilisés en médecine pour voir à travers le corps humain, ils
sont un peu moins nocifs que les rayons gamma, mais restent dangereux à faible dose. Les
rayons X ont des longueurs d’onde comprises entre un milliardième (10-12 m) et un cent
millième (10-8 m) de millimètre.
Les ultraviolets restent assez puissants. Ils sont nocifs pour la peau et on doit donc s’en protéger à
l’aide de crèmes solaires. La couche d’ozone est déjà un premier rempart efficace contre ce
type de lumière. Les néons des boîtes de nuit ou des détecteurs de faux billets émettent des
ultraviolets assez doux. Leurs longueurs d’onde s’échelonnent d’un cent millième (10-8 m) à
quatre dixièmes de millième (4x10-7 m) de millimètre.
Le domaine visible correspond à la partie du spectre visible par notre œil. C’est justement dans ce
domaine que le Soleil est le plus lumineux. Il s’étend de quatre dixièmes de millième (4x10-7
m) - lumière bleue - à huit dixièmes de millième (8x10-7 m) de millimètre - lumière rouge. Un
arc-en-ciel est le résultat de la décompostion de la lumière blanche, à la manière d’un prisme, et
met en évidence les différentes longueurs d’onde qui la composent. La sensibilité de notre œil
est centrée autour du maximum d’intensité solaire. En effet, le Soleil rayonne dans toutes les
longueurs d’onde du spectre, mais son maximum est dans le jaune-vert. Plus qu’une
coïncidence, il s’agit plutôt d’une adaptation de l’œil humain à son environnement.
L’infrarouge est émis par des corps modérément chauds. Un radiateur ou notre corps en produisent.
Il est intéressant de remarquer qu’en chauffant une barre métallique, elle émet d’abord en
infrarouge, puis en s’échauffant, elle devient rouge, puis vire au blanc. A ce moment, elle est
tellement chaude qu’elle émet une lumière blanche (constituée de toutes les longueurs d’onde
du spectre visible) à la manière du Soleil, dont la température est elle aussi très chaude (environ
5 600°C). La gamme des infrarouges couvre les longueurs d’onde allant de huit dixièmes de
millième de millimètre (8x10-7 m) à un millimètre (10-3 m).
Le domaine radio commence à une longueur d’onde de 1 millimètre. Il est divisé en sous-
catégories : millimétrique, centimétrique, etc. jusqu’au kilométrique. La bande FM de nos
postes de radio correspond à une longueur d’onde de l’ordre du mètre. Les téléphones
cellulaires communiquent avec des photons d’une longueur d’onde de 10 cm environ.
Il se trouve que les événements les plus violents (explosions de supernovae) ou les plus fondamentaux
(naissance d’étoiles) de notre Univers émettent justement dans des longueurs d’onde que nos sens ne
peuvent percevoir.

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Le centre de la Voie Lactée, notre Galaxie, observé avec tous les « yeux » dont nous disposons.
Voici quelques-uns des instruments qui nous permettent de découvrir l’Univers à toutes les longueurs
d’onde.
Le radiotélescope d’Arecibo (Etats-Unis, sur l’île de Porto Rico)
Il permet de capter le rayonnement en provenance des sources radio
de l’Univers. Ces dernières traversent sans difficulté l’atmosphère,
mais de plus en plus de signaux parasites d’origine humaine
(téléphones portables, notamment) viennent dégrader la qualité des
observations.
L’Europe n’est pas en reste avec le radiotélescope de
Nançay (dans le Cher, à une centaine de kilomètres à
l’Est de Tours, en Sologne), le plus grand après
Arecibo.
L’antenne d’Arecibo, immortalisée par James Bond
dans Goldeneye…
Miroir plan et miroir sphérique du radiotélescope de Nançay, le plus
grand d’Europe, à deux pas de la Touraine…

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Le télescope infrarouge Spitzer (Etats-Unis)
Il observe l’Univers dans l’infrarouge lointain,
rayonnement pour lequel l’atmosphère terrestre est
totalement opaque. Cela le rend à même d’observer des
régions telles que les pouponnières d’étoiles, où le gaz et
les poussières s’accumulent avant de donner naissance à
de nouveaux soleils.
Les télescopes spatiaux Darwin (Europe)
Projet de télescopes spatiaux volant en formation et capables
d’analyser la lumière en provenance de planètes tournant
autour d’autres soleils. Darwin observera dans l’infrarouge,
longueur d’onde qui permet d’observer les objets froids tels
que les poussières ou les planètes renvoyant la lumière de leur
soleil.
Le VLT (Europe, situé au Chili)
Le Very Large Telescope est un ensemble de quatre
télescopes terrestres géants de 8,2 mètres de diamètre.
Depuis le VLT, on peut observer dans le visible, mais
également dans l’infrarouge proche, qui parvient à
traverser l’atmosphère.
Le télescope spatial Hubble (Etats-Unis, Europe)
Si le télescope Hubble est capable d’observer dans
l’infrarouge et l’ultraviolet, c’est surtout dans le domaine
visible qu’il est performant. Il doit être remplacé en 2011 le
télescope spatial James Webb, optimisé pour l’infrarouge.
Cette caractéristique lui permettra d’observer la naissance des
étoiles et des planètes extrasolaires, des objets très peu
lumineux.
Le satellite Corot (France, Europe)
Ce satellite cherche des planètes rocheuses autour d’autres
soleils depuis décembre 2006, en observant la baisse de
luminosité des étoiles occasionnée par le passage d’une
éventuelle planète devant l’étoile observée. Il a la capacité de
détecter des planètes cinq fois plus grosses que la Terre.