William Huggins

Les débuts de
l'astrophysique
Le télescope de Herschel en 1798
Miroir de 40 pouces (1m22)
On peut imaginer déterminer la forme des
étoiles, leurs distances, leurs tailles et leurs
mouvements; mais il n’y a aucun moyen
envisageable qui nous permettrait un jour de
déterminer leur composition chimique, leur
structure minéralogique ou la nature des
organismes vivants qui vivent à leur
surfaces.
Nos connaissances concernant les étoiles sont
nécessairement limitées à leur comportement
géométrique et mécanique
—Auguste Comte (1830)
Sir Isaac Newton (1643-1727)
Découverte de la décomposition de la lumière du soleil
Découverte de la photographie
Daguerréotype du Soleil - Avril 1845
Découverte de la spectroscopie
Joseph von Fraunhofer - physicien allemand
(1787/1826)
Fraunhofer utilise un spectroscope pour observer le
spectre solaire. Il observe des raies d'absorption
dans le spectre du Soleil. Cependant, il n'a
aucune idée de ce qui pouvait bien les
produire.
Le spectroscope est un instrument simple composé principalement d’un
prisme pour dispersé la lumière émis par une source et d’une lentille
télescopique pour observer les détails du spectre. En 1814, Joseph von
Fraunhofer (1787-1826) développe le spectroscope pour étudier les
capacités dispersives de différents types de verres. Les chimistes l’ont
adaptés pour identifier des espèces inconnus.
Le spectre du soleil
Fraunhofer, 1817
« Raies sombres »
« Raies lumineuses »
Les chimistes allemands, Robert Bunsen (1811-1899) et Gustav
Kirchhoff (1824-1887) étudient les spectres de flamme ou d’étincelles
produit par la lumière émises par des échantillons de sels hautement
purifiés. Ils pensent qu’un élément chimique individuelles, lorsqu’il est
chauffé produit une série de raies de lumières brillantes caractéristique de
l’élément.
Kirchhoff observe aussi le spectre solaire et fait traverser des rayons du
soleil à travers des flammes de sels. Il conclut cette expérience en
expliquant que les raies sombres de Fraunhofer dans le spectre du soleil
existent à cause de la présence, autour du soleil de la même substances
qui dans le spectre de flamme produit les raies lumineuses à la même
position".
L'analyse fine du spectre solaire fait apparaître des milliers de raies d'absorption.
Plusieurs raies réparties dans le spectre peuvent correspondre à un seul élément
chimique. Ces éléments chimiques sont présents dans la photosphère solaire (qui
correspond en quelque sorte à l'atmosphère du Soleil et qui est la partie la plus
externe de la sphère gazeuse). Cette région peu dense a une épaisseur de quelques
centaines de km dans le cas du Soleil. La base de cette atmosphère produit un
spectre continu. Les photons de ce rayonnement continu interagissent avec les
atomes du gaz de l'atmosphère stellaire qui absorbent certaines longueurs d'onde
et les réemettent dans toutes les directions. Ces phénomènes se traduisent, pour
un observateur terrestre, par des raies sombres d'absorption sur un fond continu.
Le spectre obtenu permet donc de mesurer les propriétés de cette région
superficielle que constitue l'atmosphère de l'étoile.
26000 raies dont 6000 sont attribuées uniquement au fer
61 des 110 éléments connus
C’est la naissance de l'astrophysique avec l'invention de la
spectroscopie : la décomposition de la lumière en bandes de
couleurs qui permet de déterminer la composition chimique
du soleil mais aussi des planètes (leur atmosphère) et des
étoiles.
« If we were to go to the sun, and to bring away some portions
of it and analyze them in our laboratories, we could not
examine them more accurately than we can by this new mode
of spectrum analysis. »
Warren De La Rue (1861)
« C’est alors que les observatoires astronomique ont commencé à
ressembler à des laboratoires." —Huggins (1897)
William Huggins' star-spectroscope
William Huggins' spectroscope stellaire
Spectrum Analysis (1869) by Henry Enfield Roscoe
En 1864, Huggins' tourne son attention vers les
spectres de nébuleuses pour tenter de résoudre le
mystère des nébuleuses
William Huggins
« Pas un spectre comme d’habitude, seulement quelques raies
lumineuses. Cette nébuleuse n’est pas une accumulation d’étoiles mais
un nuage de gaz lumineux
La peur de la COMETE de HALLEY en 1910
« C’est aussi à Huggins que l’on doit « la probable présence de
cyanogène dans les comètes ».
Les calculs des astronomes indiquaient que la Terre traverserait peut-être la queue de la
Comète de Halley dans la nuit du 18 au 19 mai 1910. On savait que cette queue était
composée de gaz tels que le cyanogène, tous gaz irrespirables ou toxiques et certains
envisagèrent que ces substances pourraient pénétrer dans l'atmosphère terrestre et
l’empoisonner ;on parla même de la disparition de toute vie sur Terre et la presse
contribua par ses titres sensationnels à répandre une certaine appréhension dans
l'opinion. Les astronomes et les journaux s'employèrent
à démentir ces prévisions funestes, mais la peur ancestrale des comètes contribua à faire
croire aux prophéties qui annonçaient une catastrophe imminente. Et le soir du 18 mai
on vit de nombreux groupes sortir des villes pour aller, sans trop y croire pourtant,
attendre la catastrophe finale.
Découverte de l'hélium (1868)
Le 18 août 1868, les scientifiques les plus illustres sont en Inde pour étudier
l'éclipse totale du Soleil. Parmi eux se trouvent James Tennant, Joha Herschel,
Georges Rayet et Norman Pogson. Les quatre compères ont décidé d'utiliser
un spectroscope portatif – technique mise au point par le Français Jules
Janssen et l'Anglais Norman Lockyer – afin d'obtenir à leur tour le spectre
lumineux de la couronne solaire. Ils découvrent dans l'atmosphère de cet astre
un gaz jusque là inconnu. Il sera appelé hélium par référence au grec helios
(soleil). En 1895, on découvrira que ce gaz est également présent en faible
quantité dans l'atmosphère terrestre. Ce gaz léger sera utilisé pour gonfler les
ballons, dans les bouteilles de plongée ou encore en anesthésie.
Helium
La découverte de l’Hélium (Janssen, 1868)
1867
• Grâce à ses études spectroscopiques, Pierre Jules César
Janssen découvre de la vapeur d'eau dans l'atmosphère de
Mars.
1868
• William Huggins met pour la première fois en évidence le
décalage spectrale vers le rouge des raies dans le spectre d'une
étoile (il s'agissait de Sirius), pense qu'il s'agit d'un effet Doppler
et en déduit que l'étoile s'éloigne de la Terre à une vitesse de 48
km/s.
Carte de Mars dessinée par Schiaparelli
Chiaparelli étudie Mars et voit de longues lignes noires qui traversent des
continents (des régions brillantes qu'il nomme terra) en allant d'une mer à
l'autre (des régions sombres qu'il baptise mare). Il organisera en réseaux ces
bandes noires, et les décrira sous le terme de canali. A l'origine, canali signifie
"bras de mer" en italien, mais le terme sera ensuite improprement traduit par
canaux. Les lignes sombres qui zèbrent la surface de Mars viennent tout à
coup de se parer d'une aura artificielle. Ironie de l'histoire, en 1854 Schiaparelli
était sorti de l'Université de Turin avec un diplôme d'ingénieur hydraulicien !
Percival Lowell est un millionnaire passionné et
excentrique. Electrifié par les observations de
Schiaparelli, ce diplomate décide d'abandonner
une carrière prometteuse pour se consacrer
exclusivement à l'étude de la planète rouge. Il
fonde en 1894 l'observatoire de Flagstaff dans
l'Arizona, avec sa fortune personnelle. En 1900, il
a référencé plus de 400 canaux. Pour lui, il n'y a
aucun doute. Ces canaux sont bien trop
rectilignes pour ne pas être artificiels. Ce sont en
fait les composants d'un vaste système
d'irrigation mis en place par les Martiens à la
surface de Mars, pour lutter contre une
sécheresse grandissante
Percival Lowell
(1855-1916)
Albert Einstein
Physicien américain d'origine allemande
(1879/1955)
« La vitesse de la lumière est constante »
•La relativité restreinte (1905).
• E = mc2
• La relativité générale.(1915)
Einstein sauvé par une éclipse
Lorsque Albert Einstein énonce, en 1905, sa théorie de la
relativité restreinte et sa célèbre formule E=mc², il envisage déjà
l'une des conséquences directes de sa découverte. Car si énergie
et masse sont équivalentes, alors la lumière doit subir, elle aussi,
les lois de Newton et être déviée aux abords d'une masse. Mais
comment vérifier expérimentalement cette thèse ? Pour lui, la
réponse est évidente : il faut une éclipse totale du Soleil. Grâce à
elle, il sera possible d'étudier la position d'une étoile connue
située derrière l'astre du jour. Si ses calculs s'avèrent exacts, la
masse solaire devrait infléchir la lumière de l'étoile qui apparaîtra
alors décalée par rapport à sa position réelle.
En août 1914, une équipe d'astronomes allemands décide d'aller observer
l'éclipse totale qui doit se dérouler en Sibérie. Mais la Première Guerre
mondiale éclate et les scientifiques sont faits prisonniers par les Russes. "Cet
échec a sauvé Einstein, confie aujourd'hui Georges Paturel, spécialiste de
l'histoire de la cosmologie à l'Observatoire de Lyon (France). Il s'était trompé
dans ses calculs. Et l'accueil fait à sa théorie aurait été tout autre si l'expérience
ne l'avait pas confirmée."
En fait, Einstein a négligé un phénomène
primordial : la courbure de l'espace-temps. Car, comme une balle posée sur
une toile forme un creux, une masse déforme l'écheveau de l''espace-temps
environnant. Or, cette théorie, baptisée relativité générale, n'est achevée qu'en
1915. Ce n'est donc qu'à partir de cette date que l'Allemand peut reprendre
tous ses calculs. Et le déplacement apparent de l'étoile n'est plus de 0,8 arcsec
mais bien de 1,7 arcsec. Plus du double ! "Einstein aurait trouver son erreur
après l'éclipse de 1914, ajoute Georges Paturel. Mais il aurait alors perdu toute
sa crédibilité."
Finalement, le 29 mai 1919, sir Arthur Eddington, astronome royal, prend des
clichés de l'éclipse totale du Soleil visible depuis l'île Principe, une petite
colonie portugaise au large des côtes d'Afrique occidentale. De retour en
Angleterre, ils sont analysés. Et l'étoile se situe bien là où Einstein l'a prédit.
1917
• Albert Einstein propose un premier modèle d'Univers dérivé des
équations de sa théorie de la relativité générale, mais auxquelles il
introduit une constante (la « constante cosmologique ») pour
contrebalancer l'évolution (contraction ou expansion) de l'Univers qui
découlait pourtant de ses équations, mais qui lui parut inacceptable.
1920
• Arthur Stanley Eddington suggère pour la première fois que
l'énergie des étoiles pourrait être d'origine nucléaire.
1924
• Edwin Powell Hubble distingue pour la première fois des étoiles à
l'intérieur de la nébuleuse d'Andromède. Hubble put en déterminer sa
distance, qui se révéla bien supérieur à la plus grande estimation de
l'époque des dimensions de la Voie Lactée. Hubble révéla ainsi la
véritable nature des « nébuleuses spirales », à savoir des « universîles » semblablent à la Voie Lactée et extérieurs à elle, que l'on
appelle depuis des galaxies.
En Novembre 1888, Isaac Roberts (1829-1904) envoie cette
photographie qu’il a prise de la grande Grande Nebuleuse d’Andromede
(M31) à William Huggins
1923
Edwin Powell Hubble
(1889-1953)
astronome américain
télescope de 2,50 mètres du mont Wilson en Californie
Il détermine la distance de la nébuleuse d'Andromède (1
millions d’années lumières) et s'aperçoit qu'elle se trouve
bien au-delà des limites de notre galaxie.
De même, il remarque que les nébuleuses contiennent des
étoiles, des amas globulaires, des novae et d'autres objets
stellaires que l'on trouve également dans la galaxie. Il émet
alors l'hypothèse que les nébuleuses observées sont en fait
des galaxies comme la nôtre.
Edwin Hubble and Copernicus !!
En collaboration avec Milton Humanson, il établit, grace à la
spectroscopie en utilisant l’effet Doppler, la loi de Hubble :
Les galaxies s'eloignent de nous (et les unes des autres) a des vitesses
proportionnelles a leur distance. Donc, la mesure de leur vitesse
d'eloignement est une indication de leur distance. Le taux d'expansion de
l'univers s'appelle la constante de Hubble, il vaut 50 a 100
km/sec/Mpc.
Hubble continuera ses recherches pendant de nombreuses années,
participant activement à l'édification de la cosmologie moderne.
Edwin Hubble fut le premier astronome à proposer une
classification des galaxies par leur forme. Il distingua
plusieurs grands types de galaxies :
La découverte de la radioastronomie
Karl Jansky, 1933
Période du signal:
23h56 =1 jour sidéral !!
Les radiotélescopes ?
27 antennes de 25 m de diamètre
VLA (Nouveau Mexique)
Antenne de 300 m de diamètre
Arecibo (Puerto Rico)
Les découvertes de la 2ème moitié du XXème siècle sont le
fruit de l'amélioration constante des moyens d'observation au
sol. Les astronomes ont aujourd'hui à leur disposition
d'énormes télescopes dont le diamètre peut atteindre 10
mètres. En même temps, l'observation astronomique, d'abord
limitée au domaine visible, s'est peu à peu appropriée tous les
autres domaines (radio, centimétriques ou millimétriques)
Les observatoires au sommet du
volcan Mauna Kea sur l´île
d´Hawaii (JCMT, Subaru, Keck 1,
Keck 2, CFHT et Gemini.
Crédit:IfA/Richard Wainscoat
projet VLT
Ensemble de 4 télescopes de 8.2
m de diamètre, est équivalent à
un télescope unique de 16 m en
construction au nord du Chili
Les télescopes en orbite autour de la terre
Hubble Space Telescope (1990-20XX)
UV-vis-proche IR
Miroir de 2,4 m
Les télescopes satellites?
Visible
Infrarouge
(IRAS 1984, ISO 1995…….)
Chandra X- ray Observatory
Rayons X
(1999-20XX)
Visible
Les sondes du système solaire:
Les sondes, elles, sont des satellites d’un type particulier,
dédiés à l’exploration de l’ensemble du système solaire. Elle
permettent d’observer et d’étudier les planètes, les comètes
et les astéroïdes.
Les premières sondes sont américaines et s’appellent Mariner
(1972/73 : mars et vénus). Viennent ensuite : Viking (1975 :
sol de mars), Pioneer (1972/73 : jupiter, saturne) ; Venera
(1975 : sol de vénus) ; Voyager (1977 : Jupiter, Saturne,
Uranus et Neptune) ; Giotto (1985 : comète de Halley) ;
Galiléo (1989 : jupiter et ses satellites) ; Mars Global
Surveyor et Mars Pathfinder (1996 : surface de mars) ; …
Mariner 2
Voyager
Galileo
Première mise en orbite autour d’une autre planète
(1971)
Olympus Mons
(600 km de diamètre,
26 km de haut)
Mars
Mariner (Spectromètre IRIS mesure 140 K au pôle) :
Le 20 août 1975, une fusée Titan IIIE
propulse la sonde Viking 1 vers la planète
rouge.
Le module d'atterrissage de la mission
Viking mesurait 3 mètres de haut, pour
une masse d'une demi tonne. Il emportait
un total de 15 expériences scientifiques.
Cette image est historique ! Il s'agit de la
première image de la surface martienne
renvoyée par l'atterrisseur Viking 1
Mars Pathfinder 2005