Mise à jour le 9 Mai 2009
 
CONFÉRENCE
"LA SPECTROSCOPIE : UN FORMIDABLE OUTIL
POUR COMPRENDRE L'UNIVERS "
Par Patrick BOISSÉ
Professeur Paris VI (UPMC), IAP
Organisée par l'IAP
98 bis Av Arago, Paris 14ème
 
Le mardi 5 Mai 2009 à 19H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos
(Patrick Boissé a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en ppt), elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle. spectro_IAP09_4.ppt.)
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Vidéo de la conférence par le CERIMES disponible sur leur site quelques jours après (le CERIMES propose aussi toutes les vidéos des conférences IAP) :      voir : http://www.cerimes.fr/
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
Le CR sera bref car la présentation est disponible en ligne.
 
 
Voilà encore un sujet qui passionne l'auditoire du grand amphithéâtre de l'IAP.
 
 
 
Patrick Boissé est un spécialiste du milieu interstellaire (ISM) et des poussières cosmiques puisque même sa thèse passée au CEA avait pour sujet les poussières de la voie lactée.
 
 
Il nous parle ce soir de la spectroscopie; son plan :
·        Nature de la lumière
·        Principe et quelques expériences
·        Informations portées par un spectre et exemples
·        La spectroscopie de nos jours.
 
 
 
 
 
 
 
NATURE DE LA LUMIÈRE.
 
Composée de multiples longueurs d'onde , le spectre d'une lumière est non perceptible à l'œil.
Il décompose la lumière en ses différentes fréquences.
 
Un peu d'histoire :
 
 
·        Aristote imagine que la lumière est une onde par analogie avec le son.
·       
• 1637 : lois de la réfraction, Descartes
·       
• 1666 : expériences de Newton sur la décomposition de la lumière; la réfraction sépare les couleurs.  Lumière = corpuscules; recomposition inverse de la lumière du prisme en lumière blanche.
·       
•Huygens (1629 - 1695): interprète la réflexion, il est le premier à parler d'ondes après Aristote
·       
• Expérience de Young en 1801 avec les franges d'interférences
·       
• Théorie ondulatoire : Fresnel (1788 - 1829)


·       
• Fraunhofer: spectroscope, réseaux, il remarque des raies dans le spectre solaire (≈ 1813)
·       
• Bunsen et Kirchhoff interprètent le spectre solaire (≈ 1850)
·       
• Maxwell (1831, 1879): élabore la théorie de l'électromagnétisme
·       
• Janssen et Lockyer (1868) : découvrent une raie jaune inconnue l'Hélium, vers 1895
·       
• Planck (1900), Einstein (1905): nature corpusculaire de la lumière
 
 
 
PRINCIPE D'UN SPECTROSCOPE.
 
 
 
Un spectroscope (ou graphe) possède :
·        Un système dispersant : un prisme à l'origine maintenant plutôt un réseau.
·        Une fente d'entrée
·        Un détecteur : plaque, CCD
 
Joignant le geste à la parole, P Boissé nous montre quelques spectres sur écran; en bas spectre après prisme, en haut franges d'interférences.
 
 
LES INFORMATIONS CONTENUES DANS UN SPECTRE.
 
On s'attardera sur plusieurs aspects :
 
·        La forme générale du spectre continu :
o       Les étoiles bleues sont jeunes et chaudes
o       Les étoiles rouges sont vieilles et froides
o       Les galaxies, si elles sont bleues, elles contiennent des étoiles jeunes
o       Les galaxies rouges ne fabriquent plus d'étoiles.
·        Les raies d'absorption :
o       Caractérisent l'atmosphère de l'étoile ou
o       Le gaz interposé entre nous et l'étoile.
·        Les raies d'émission :
o       Caractérisent l'excitation de certains atomes.
 
 
 
 
 
 
La surface chaude des étoiles émet une lumière dont le spectre est continu. Certaines radiations émises , en traversant l’atmosphère de cette étoile sont absorbées par les atomes de cette atmosphère ;on obtient ainsi un spectre d’absorption qui permet d’avoir des informations sur la composition de l’atmosphère de l’étoile donc de son enveloppe externe.
 
Le spectre d'une étoile donne donc des informations sur :
·        La composition de certains éléments
·        Et par effet Doppler une idée de sa vitesse radiale
·        Et du champ gravitationnel possible comme dans le cas de Sirius B
·        Le mouvement des galaxies, c'est comme cela que Hubble et Humason ont mis au jour l'expansion de l'Univers.(voir plus bas)
·        La masse manquante de l'Univers : en effet en étant capable de mesurer la vitesse des étoiles dans les bras des galaxies (M31), on s'est aperçu qu'il fallait une quantité de matière "invisible" pour expliquer la vitesse de ces étoiles. (voir dessin plus loin)
·        Détection de sursauts gamma.
 
 
Images originales de Hubble et Humason montrant le décalage vers le rouge de quelques galaxies distantes.
 
Ce qu'il faut remarquer c'est le déplacement des deux raies caractéristiques marquées par les flèches en fonction de l'éloignement des galaxies.
 
 
 
Crédit : Hale Observatory
 
 
 
 
 
 
Graphe des vitesses de rotation des étoiles de la galaxie M31 autour du centre.
 
Les losanges noirs sont les points de mesure réelles.
 
La contribution des étoiles du bulbe central : la courbe en jaune marquée bulbe, c'est une forme comme celle-ci que l'on attendait d'après les équations kepleriennes.
 
En violet la contribution de matière noire invisible.
 
Crédit : L Chemin.
 
 
 
 
De même en étudiant la lumière d'astres lointains dont la lumière passe au travers de nuages interstellaires plus ou moins proches, on peut déterminer l'abondance d'éléments chimiques.
 
 
Une application très surprenante de la spectroscopie, c'est la possibilité d'étudier la variation éventuelle avec le temps des constantes physiques.
Les atomes étant partout les mêmes dans l'Univers, on a essayé de voir si les constantes de la physique auraient pu varier avec le temps. Pour cela on s'est intéressé au doublet de l'ion Si+++ dans un quasar lointain, ce doublet est lié à la constante de structure fine qui est une constante fondamentale qui régit la force électromagnétique assurant la cohérence des atomes et des molécules.
Or en mesurant ce doublet dans le quasar Q0453-423 situé à un z de 2,45, on n'a pas pu mettre en évidence une variation en fréquence de ce doublet par rapport à aujourd'hui.
 
 
Une autre application est la possibilité de mesurer le bruit de fond cosmologique (CMB) par spectroscopie en étudiant les niveaux 0 et 1 de la "molécule" CN au passage de la lumière d'une étoile au travers d'un nuage de interstellaire de notre galaxie.
On trouve le chiffre bien connu de 2,7K.
 
 
Structure d'un nuage interstellaire:
 
 
La spectroscopie permet d'étudier la structure de tels nuages.
 
Si on trouve une étoile qui se déplace rapidement, on peut effectuer un spectre dans plusieurs parties du nuage et ainsi mettre en évidence des variations de composition par exemple.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LA SPECTROSCOPIE DANS D'AUTRES DOMAINES.
 
 
Dans le domaine des ondes millimétriques comme à l'IRAM par exemple.
 
 
CONCLUSIONS.
 
·        Nombreuses applications : champ magnétique, effet Zeeman etc..
·        Autres types de spectroscopie : multi objets; transformée de Fourier
·        Projets actuels : Herschel; Alma (mm), JWST (IR); Codex (ELT visible)
·        Liens avec la physique atomique et moléculaire.
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
La dispersion de la lumière.
 
La spectroscopie par Luxorion.
 
Les réseaux spectroscopiques par nos mais canadiens.
 
Spectre continu, spectres de raies d’émission et de raies d’absorption par le Lycée Galilée - 76520 Franqueville Saint Pierre.
 
Spectres de raies par le CLEA. Très bien à lire pour s'éclaircir les idées sur les types de spectres.
 
Messages de la lumière, très astucieuse présentation ppt sur la spectro.
 
Introduction à la spectroscopie par Dominique Beauchamp
 
The expanding Universe.
 
New Quasar Studies Keep Fundamental Physical Constant Constant par l'ESO.
 
Les poussières du cosmos CR de la conférence de P Boissé à la SAF le 14 Mars 2009 à la SAF.
 
La lumière des astres présentation ppt par l'Université de Lyon, un historique.
 
Comprendre le langage des étoiles.
 
 
Bon ciel à tous !
 
 
Jean Pierre Martin 
www.planetastronomy.com
Abonnez-vous aux astronews du site en envoyant votre e-mail.