Qu'est-ce que la spectroscopie?
La plupart ont déjà vu de magnifiques images de galaxies, de champs d'étoiles et de nébuleuses prises avec des télescopes sur Terre et dans l'espace. Ces images de l'Univers, en plus d'être magnifiques, permettent aux scientifiques de réaliser des recherches intéressantes.
Mais les télescopes ne captent pas que des images. Les astronomes utilisent aussi une technique très courante du nom de spectroscopie, qui permet de recueillir un type de données qu'on appelle spectre. Grâce à la spectroscopie, ils peuvent découvrir au sujet d'objets célestes beaucoup de caractéristiques qu'on ne voit pas sur les images optiques. En fait, environ 75 % de toutes les données recueillies par le télescope spatial James Webb sont des spectres.
Si une image vaut mille mots, pour les astronomes, un spectre vaut mille images!
Qu'est-ce qu'un spectre?
On obtient un spectre continu d'un corps céleste en recueillant les types d'énergie électromagnétique qu'il produit. Par exemple, la lumière blanche d'une étoile comme le Soleil peut être décomposée pour révéler la partie visible du spectre électromagnétique : l'arc-en-ciel de couleurs qui la compose. Un spectre peut aussi comprendre de l'énergie imperceptible à l'œil, comme les rayons gamma, X et ultraviolets, le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.
La spectroscopie, comment est-ce que ça fonctionne?
Pour collecter et enregistrer le spectre d'une source lumineuse, il faut décomposer la lumière dans ses diverses parties. Par exemple, un prisme en verre peut servir à décomposer les éléments de la lumière blanche du Soleil. En décomposant le rayon lumineux, le prisme crée un arc-en-ciel de couleurs différentes bien ordonnées : c'est le spectre de la lumière visible du Soleil.
Version textuelle - La lumière du Soleil décomposée par un prisme - infographie
Un prisme en verre décompose la lumière du Soleil dans toutes ses couleurs et crée un arc-en-ciel : c'est le spectre de la lumière visible du Soleil. Le Soleil produit aussi des types de lumière imperceptibles à l'œil, comme les rayons ultraviolets et infrarouges, qui font aussi partie du spectre. Les gouttes de pluie peuvent être comme de petits prismes. Quand il pleut en même temps qu'il fait soleil, ou quand le Soleil brille peu de temps après la pluie, les gouttes de pluie décomposent, ou dispersent, la lumière du Soleil et c'est ainsi qu'un arc-en-ciel se produit. (Sources : NASA/ESA/L. Hustak [STScI], Agence spatiale canadienne.)
Les scientifiques utilisent des prismes et d'autres instruments fonctionnant de la même façon pour décomposer la lumière d'objets célestes éloignés afin de mieux les comprendre. Cette technique de décomposition de la lumière en plus petits éléments peut être employée avec tous les types de lumière.
Les instruments appelés spectrographes du télescope spatial James Webb, comme le NIRISS canadien, contiennent des grismes, un type de prisme spécialisé qui peut décomposer la lumière infrarouge, imperceptible à l'œil. Avec ces instruments, il est ainsi possible de créer des spectres infrarouges et de mesurer la quantité de rayonnement dans les divers types d'infrarouge.
Un principe de base de la spectroscopie est qu'on peut tirer des renseignements de la couleur et de la lumière. La manière dont les différentes longueurs d'onde de la lumière interagissent avec la matière peut révéler plusieurs caractéristiques de cette matière, notamment sa température, sa composition et son mouvement. Certaines parties de la lumière sont absorbées par l'atmosphère d'une planète ou d'une étoile : elles ne se trouveront pas dans les spectres captés. Ce sont là des caractéristiques propres au corps céleste observé.
À quoi sert la spectroscopie?
Déterminer la température d'une étoile
Le spectre d'émission d'une source lumineuse chaude et dense, comme une étoile, se présente sous la forme d'un arc-en-ciel presque continu. Ce spectre peut aussi s'étirer et comprendre des types de lumière imperceptibles à l'œil, comme les rayons ultraviolets et infrarouges. L'intensité de l'arc-en-ciel (de ses différentes couleurs/longueurs d'onde) dépend de la température de la source lumineuse (en anglais seulement). Par exemple, les étoiles les plus chaudes auront un pic plus proche de la lumière bleue et les étoiles les plus froides, plus proche de la lumière rouge. En déterminant à quelle longueur d'onde le spectre d'un objet est le plus lumineux, les astronomes peuvent estimer la température d'objets situés à des centaines et même des millions d'années-lumière de distance.
Lire la lumière des objets célestes grâce à des « codes-barres cosmiques
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Depuis le noyau d'une étoile, la lumière stellaire traverse l'atmosphère de l'étoile, mais en voyageant dans l'espace, elle peut aussi traverser l'atmosphère de planètes lointaines ou des nuages de gaz. Quand cela se produit, les molécules et atomes présents à ces endroits absorbent des longueurs d'onde très précises. La lumière qui poursuit son chemin, ou qui traverse ces obstacles, produit un spectre d'absorption, qui ressemble à un arc-en-ciel parsemé de lignes sombres.
Version textuelle - Le spectre de lumière visible de l'étoile Altair - infographie
Voici le spectre de lumière visible d'Altair, une étoile à environ 16,7 années-lumière de la Terre. Le spectre électromagnétique (en haut) est comme un arc-en-ciel presque continu avec quelques lignes sombres qui représentent la lumière absorbée par l'hydrogène présent dans l'atmosphère de l'étoile. Les astronomes peuvent mettre ce spectre sous forme de graphique (en bas) pour montrer la luminosité de l'étoile aux différentes longueurs d'onde (couleurs). Ici encore, on voit les lignes d'absorption de l'hydrogène : ce sont les creux dans la luminosité de l'étoile à certaines longueurs d'onde. (Sources : NASA/ESA/L. Hustak [STScI.], Agence spatiale canadienne.)
La position de ces lignes, qui font penser à un code-barres cosmique, nous indique quelles molécules et quels atomes se trouvent dans le gaz qui a absorbé une partie de la lumière. C'est ainsi que les astronomes déterminent la composition chimique des objets célestes, ce qui peut aider à déterminer l'habitabilité d'une exoplanète ou l'âge de certaines des galaxies les plus anciennes, dont la lumière s'est fortement décalée vers la partie infrarouge du spectre.
NIRISS : le spectrographe canadien du télescope Webb
Le télescope Webb est doté de nombreux spectrographes, dont le NIRISS canadien (imageur et spectrographe sans fente dans le proche infrarouge), et contribue à dévoiler de nombreux mystères de l'Univers.
Grâce à ses modes d'observation, le NIRISS est particulièrement adapté à certains types d'observations.
- Un mode sert à obtenir le spectre de résolution moyenne et de haute précision d'un seul objet brillant à la fois. Il est destiné à l'étude des exoplanètes en transit devant leur étoile.
- Un autre mode permet d'obtenir des spectres à basse résolution de milliers d'objets à la fois. Ce mode se prête particulièrement bien à l'étude de vastes champs de centaines ou de milliers de galaxies lointaines.
Grâce au télescope Webb, des scientifiques canadiens et des chercheurs du monde entier pourront déterminer si des planètes lointaines seraient habitables, en fonction de la présence ou de l'absence de lignes dans leur spectre associées à certaines molécules (p. ex. eau, dioxyde de carbone, méthane et oxygène).
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