Comme des éclats de verre brisé pris sous les projecteurs, les étoiles apparaissent trompeusement passives dans le ciel nocturne. Les températures de surface stellaires peuvent atteindre 50 000 degrés Celsius - plus de dix fois plus chauds que notre Soleil - et sur certains, elles peuvent atteindre plus d'un million de degrés! La chaleur à l'intérieur d'une étoile atteint des niveaux encore plus élevés qui dépassent généralement plusieurs millions de degrés - suffisamment pour déchirer les noyaux atomiques et les transformer en de nouveaux types de matière. Nos regards décontractés vers le haut ne révèlent pas seulement ces conditions extrêmes, mais ils ne font que faire allusion à l'énorme variété d'étoiles qui existent. Les étoiles sont disposées par paires, triplés et quatuors. Certains sont plus petits que la Terre tandis que d'autres sont plus grands que l'ensemble de notre système solaire. Cependant, puisque même l'étoile la plus proche est éloignée de 26 billions de miles, presque tout ce que nous savons à leur sujet, y compris ceux de l'image ci-jointe, n'a été glané que de leur lumière.
Aujourd'hui, notre technologie est encore extrêmement incapable d'envoyer une personne ou un robot jusqu'à l'étoile la plus proche dans un temps de transit aller-retour de moins de plusieurs milliers d'années. Par conséquent, les étoiles restent physiquement inaccessibles maintenant et pendant de nombreuses années à venir sans une percée sans précédent dans la propulsion spatiale. Cependant, même s'il n'est pas pratique de visiter la montagne, il a été possible d'étudier des parties de la montagne qui nous ont été envoyées sous la forme d'une lumière stellaire. Presque tout ce que nous savons sur les étoiles est basé sur une technique connue sous le nom de spectroscopie - l'analyse de la lumière et d'autres formes de rayonnement.
Les débuts de la spectroscopie proviennent d’Isaac Newton, mathématicien et scientifique anglais du XVIIe siècle. Newton était intrigué par la notion alors étrange, proposée par des penseurs antérieurs tels que René Descartes, que la lumière blanche contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. En 1666, Newton expérimente un prisme de verre, un petit trou dans l'un de ses volets et le mur blanc de la pièce. Lorsque la lumière du trou a traversé le prisme, elle s'est dispersée, comme par magie, dans un ensemble de couleurs légèrement superposées: du rouge au violet. Il a été le premier à décrire cela comme un spectre, qui est le mot latin pour l'apparition.
L'astronomie n'a pas immédiatement incorporé la découverte de Newton. Bien au XVIIIe siècle, les astronomes pensaient que les étoiles n'étaient qu'une toile de fond pour le mouvement des planètes. Une partie de cela était basée sur l'incrédulité répandue selon laquelle la science pourrait jamais comprendre la vraie nature physique des étoiles en raison de leur distance. Cependant, tout cela a été changé par un opticien allemand du nom de Joseph Fraunhofer.
Cinq ans après avoir rejoint une entreprise d'optique de Munich, Fraunhofer, alors à l'âge de 24 ans, est devenu un partenaire en raison de ses compétences en fabrication de verre, en rectification de verres et en conception. Sa recherche de lentilles idéales utilisées dans les télescopes et autres instruments l'a amené à expérimenter la spectroscopie. En 1814, il mit en place un télescope d'observation, monta un prisme entre lui et une petite fente de soleil puis regarda à travers l'oculaire pour observer le spectre qui en résulta. Il a observé une répartition des couleurs, comme il s'y attendait, mais il a vu quelque chose d'autre - un nombre presque innombrable de lignes verticales fortes et faibles qui étaient plus sombres que le reste des couleurs et certaines semblaient presque noires. Ces lignes sombres deviendraient plus tard familières à tous les étudiants en physique sous le nom de lignes d'absorption Fraunhofer. Newton ne les avait peut-être pas vus, car le trou utilisé dans son expérience était plus grand que la fente du Fraunhofer.
Fasciné par ces lignes et certain qu'elles n'étaient pas des artefacts de son instrument, Fraunhofer les étudia attentivement. Au fil du temps, il a cartographié plus de 600 lignes (aujourd'hui, il y en a environ 20 000), puis a tourné son attention vers la Lune et les planètes les plus proches. Il a trouvé que les lignes étaient identiques et a conclu que c'était parce que la lune et les planètes reflétaient la lumière du soleil. Ensuite, il a étudié Sirius mais a trouvé que le spectre de l'étoile avait un motif différent. Chaque étoile qu'il a observée, par la suite, avait un ensemble unique de lignes verticales sombres qui les distinguaient les unes des autres comme une empreinte digitale. Au cours de ce processus, il a considérablement amélioré un dispositif connu sous le nom de réseau de diffraction qui pourrait être utilisé à la place d'un prisme. Son réseau amélioré a produit des spectres beaucoup plus détaillés qu'un prisme et lui a permis de créer des cartes des lignes sombres.
Fraunhofer a testé ses spectroscopes - un terme inventé plus tard - en observant la lumière d'une flamme de gaz et en identifiant les raies spectrales qui sont apparues. Ces lignes, cependant, n'étaient pas sombres - elles étaient lumineuses car elles résultaient d'un matériau qui avait été chauffé à incandescence. Fraunhofer a noté la coïncidence entre les positions d'une paire de lignes sombres dans le spectre solaire avec une paire de lignes lumineuses de ses flammes de laboratoire et a émis l'hypothèse que les lignes sombres peuvent être causées par l'absence d'une lumière particulière comme si le Soleil (et le autres étoiles) avaient volé leur spectre de rayures étroites de couleur.
Le mystère des lignes sombres n'a été résolu que vers 1859, lorsque Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen ont mené des expériences pour identifier les matériaux chimiques par leur couleur lorsqu'ils étaient brûlés. Kirchhoff a suggéré que Bunsen utilise un spectroscope comme méthode la plus claire pour faire une distinction et il est rapidement devenu évident que chaque élément chimique avait un spectre unique. Par exemple, Sodium a produit les lignes repérées pour la première fois par Fraunhofer plusieurs années auparavant.
Kirchhoff a ensuite compris correctement les lignes sombres dans les spectres solaire et stellaire: la lumière du Soleil ou d'une étoile traverse une atmosphère environnante de gaz plus frais. Ces gaz, tels que la vapeur de sodium, absorbent leur longueur d'onde caractéristique de la lumière et produisent les lignes sombres repérées par Fraunhofer au début du siècle. Cela a déverrouillé le code de la chimie cosmique.
Kirchoff a ensuite déchiffré la composition de l'atmosphère solaire en identifiant non seulement le sodium mais aussi le fer, le calcium, le magnésium, le nickel et le chrome. Quelques années plus tard, en 1895, les astronomes observant une éclipse solaire confirmeraient les raies spectrales d'un élément qui n'avait pas encore été découvert sur terre-hélium.
Alors que le travail de détective se poursuivait, les astronomes ont découvert que le rayonnement qu'ils étudiaient à travers des spectroscopes s'étendait au-delà des couleurs visibles familières dans des régions électromagnétiques que nos yeux ne peuvent pas percevoir. Aujourd'hui, une grande partie du travail qui retient l'attention des astronomes professionnels ne porte pas sur les caractéristiques visuelles des objets de l'espace lointain mais sur la nature de leurs spectres. Pratiquement toutes les planètes solaires supplémentaires récemment découvertes, par exemple, ont été découvertes en analysant les décalages du spectre stellaire qui sont introduits en orbite autour de leur étoile parente.
Les énormes télescopes qui parsèment le globe dans des endroits extrêmement éloignés sont rarement utilisés avec un oculaire et prennent rarement des photos comme celle incluse dans cette discussion. Certains de ces instruments ont des diamètres de miroir supérieurs à 30 pieds et d'autres, encore en phase de conception et de financement, peuvent avoir des surfaces de collecte de lumière dépassant 100 mètres! Dans l'ensemble, tous, ceux qui existent et ceux sur la planche à dessin, sont optimisés pour recueillir et disséquer la lumière qu'ils collectent à l'aide de spectroscopes sophistiqués.
Actuellement, bon nombre des plus belles images de l'espace lointain, comme celle présentée ici, sont produites par des astronomes amateurs doués qui sont attirés par la beauté des objets qui dérivent dans l'espace lointain. Armés d'appareils photo numériques sensibles et d'instruments optiques remarquablement précis mais de taille modeste, ils continuent d'être une source d'inspiration pour les gens du monde entier qui partagent leur passion.
L'image colorée en haut à droite a été produite par Dan Kowal depuis son observatoire privé au mois d'août de cette année. Il présente une scène située en direction de la constellation du nord du Cygne. Cette masse complexe d'hydrogène moléculaire et de poussière se trouve à environ 4 000 années-lumière de la Terre. Une grande partie de la lumière vue dans la partie principale de cette nébuleuse est générée par l'étoile brillante massive près de son centre. Les photographies à grand angle et à longue exposition révèlent que la nébuleuse est très étendue - essentiellement un vaste fleuve de poussière interstellaire.
Cette image a été produite avec un réfracteur apochromatique de six pouces et une caméra astronomique de 3,5 mégapixels. L'image représente près de 13 heures d'exposition.
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Écrit par R. Jay GaBany
