La spectroscopie est la technique scientifique qui consiste à analyser la lumière émise, absorbée ou diffusée par un objet, en la décomposant en ses différentes longueurs d’onde. C’est probablement l’outil le plus puissant de l’astronomie moderne : elle permet de déterminer la composition chimique, la température, la pression, le champ magnétique, la vitesse et de nombreuses autres propriétés d’astres parfois situés à des milliards d’années-lumière.
Principe physique
Chaque élément chimique possède une signature spectrale unique : une combinaison spécifique de longueurs d’onde qu’il absorbe ou émet. Quand la lumière d’une étoile traverse son atmosphère, certaines longueurs d’onde sont absorbées par les atomes présents, créant des raies d’absorption sombres dans le spectre. Inversement, un gaz chaud peut émettre de la lumière à ces mêmes longueurs d’onde, formant des raies d’émission brillantes.
Ce que révèle un spectre stellaire
L’analyse d’un spectre stellaire fournit un éventail d’informations remarquable : la composition chimique (chaque raie identifie un élément), la température de surface (par la forme générale du continuum), la vitesse radiale (par décalage Doppler des raies), la rotation stellaire (par élargissement des raies), le champ magnétique (par effet Zeeman) et même la pression atmosphérique. Tout cela à partir d’une simple analyse de lumière.
Les types de spectres
Trois types fondamentaux de spectres existent. Un spectre continu est produit par un solide, un liquide ou un gaz dense chaud (comme la photosphère d’une étoile). Un spectre d’émission apparaît comme des raies brillantes sur fond sombre, émises par un gaz chaud peu dense (nébuleuses). Un spectre d’absorption présente des raies sombres sur fond continu, produit quand un gaz plus froid est placé devant une source continue (atmosphère stellaire).
Importance en astronomie
La spectroscopie a révolutionné toute l’astronomie depuis le XIXè siècle. C’est par spectroscopie que l’hélium a été découvert en 1868 dans le Soleil avant d’être identifié sur Terre, qu’Hubble a mesuré le redshift des galaxies pour découvrir l’expansion de l’univers, et que les premières exoplanètes ont été détectées par variations de vitesse radiale. Aujourd’hui, le télescope James Webb utilise la spectroscopie pour analyser les atmosphères d’exoplanètes potentiellement habitables.
Exemple concret
En 2023, le télescope James Webb a utilisé la spectroscopie de transit pour analyser l’atmosphère de l’exoplanète K2-18b. Quand la planète passe devant son étoile, une fraction de la lumière stellaire traverse son atmosphère, qui imprime sa signature spectrale. L’analyse a révélé la présence de méthane et de dioxyde de carbone, et possiblement de diméthylsulfure — un composé sur Terre uniquement produit par des organismes vivants.
Le saviez-vous ?
La première analyse spectroscopique d’un astre extra-terrestre date de 1814, quand Joseph von Fraunhofer a observé les raies sombres dans le spectre solaire. Ces raies de Fraunhofer sont restées mystérieuses pendant 45 ans, jusqu’à ce que Kirchhoff et Bunsen comprennent leur lien avec les éléments chimiques en 1859.
Questions fréquentes
Comment fonctionne un spectroscope ?
Un spectroscope contient un élément dispersif (prisme ou réseau de diffraction) qui sépare les longueurs d’onde de la lumière. Le spectre obtenu est ensuite enregistré par un capteur. La précision de l’analyse dépend de la résolution spectrale — capacité à distinguer des longueurs d’onde très proches.
Peut-on faire de la spectroscopie en astronomie amateur ?
Oui. Des spectroscopes pour télescopes amateurs sont commercialisés, et les amateurs contribuent régulièrement à la science en surveillant des étoiles variables ou en suivant des supernovas. La spectroscopie amateur est même devenue un domaine actif avec des résultats publiés dans des revues professionnelles.
Quelles longueurs d’onde peut-on analyser ?
Toutes ! De la radio aux rayons gamma, en passant par l’infrarouge, le visible, l’ultraviolet et les rayons X. Chaque domaine spectral nécessite des instruments spécifiques. Les observatoires multilongueur d’onde combinent plusieurs domaines pour avoir une vision complète d’un objet.