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La spectroscopie (IV)

En 1666, au cours d’une expérience d'optique qu’il qualifiera ultérieurement de “cruciale”, Newton découvrit le spectre de la lumière en jouant avec un prisme dans une chambre obscurcie. Bien que son expérience sera critiqué par le clergé romain jusqu’au début du XVIII^eme siècle pour ses conséquences théologiques (la lumière blanche n'était pas pure, immaculée, mais composite), Newton avait la certitude de détenir la démonstration d’une parmi la multitude des influences divines.

Expert en mathématiques et fier de dire qu’il ne faisait jamais d’hypothèses, en 1672 Newton[8] écrivit au Secrétaire de la Royal Society, Henry Oldenburg, un commentaire qui s’avéra prémonitoire : “C’est une découverte (scientifique) qui m’a amené à faire ledit télescope et dont je ne doute pas qu’elle se montrera plus profitable que la communication de cet instrument, étant à mon jugement la plus étrange sinon la plus importante révélation faite à ce jour des opérations de la Nature”. Trois semaines plus tard il révéla sa découverte : c’était la théorie de la lumière.  

Les différents types de spectres de Fraunhofer : continu et similaire à l'arc-en-ciel, d'émission lorsque la lumière traverse un gaz chaud et d'absorption lorsque la lumière traverse un gaz froid. Document T.Lombry.

Grâce à ses expériences, Newton comprit que la lumière blanche, telle celle qui nous vient du Soleil était composée de plusieurs radiations. Parmi celles-ci nous connaissons le spectre visible qui offre les couleurs caractéristiques de l'arc-en-ciel. Une lumière isolée ou radiation monochromatique se caractérise par sa longueur d'onde ou sa fréquence, sa période et son amplitude. Nous savons aussi que ces radiations lumineuses transportent de l'énergie, rappelez-vous vos coups de soleil ! La physique quantique nous apprend qu'une radiation monochromatique transporte cette énergie par quanta, petites particules appelées photons. Paradoxalement dans certaines conditions la lumière se propage telle une onde.

C'est William Wollaston qui découvrit en 1802 que le spectre du Soleil n'apparaissait pas comme une bande colorée continue comme l'avait découvert Newton, mais qu'il était sillonné de raies sombres superposées au spectre continu. C'est à l'opticien allemand Joseph von Fraunhofer que nous devons la première analyse spectrale en 1811. 

Quatre ans plus tard Joseph von Fraunhofer expliqua l'origine des raies sombres et leur présente en des endroits bien précis du spectre du Soleil, des étoiles et de la Lune. Ce phénomène était provoqué par l'absorption sélective de la lumière lorsqu'elle passait d'un milieu dans un autre. 

En 1842, le mathématicien allemand Christian Doppler précisa que l'onde émise par une source était liée à sa vitesse, mais c'est Sir W.Huggins qui réussit à le démontrer en 1868. Il apporta également la preuve que les raies présentent dans le spectre des autres étoiles correspondaient à celles émises par des substances terrestres, démontrant que les étoiles étaient faites de la même matière que les corps ordinaires et ne pas d'une substance exotique. Ses découvertes ouvrirent la voie à la spectroscopie moderne.

En 1859, les Allemands Kirchhoff et Bunsen inventèrent le spectroscope, ce qui permit aux physiciens d'établir avec une très grande précision la longueur d'onde (la raie) émise par tous les atomes dans leurs différents états d'excitation. Cet instrument a permit de découvrir quelque 26000 raies dans le spectre du Soleil appartenant à 61 éléments chimiques parmi lesquels l'hydrogène, l'hélium, le calcium et le fer.

Chaque raie spectrale correspond au passage de l'état d'énergie d'un atome dans un autre moins élevé. Ces raies concernent les atomes mais également les nombreuses molécules. On connaît en particulier les relations qui existent entre les raies et l'état physique des corps qui les émettent. De la sorte, en présence d'un corps inconnu et inaccessible, on peut recueillir sa lumière, la faire tomber sur un prisme ou un réseau de diffraction préalablement étalonné et d'après les caractéristiques spectrales (position, intensité, largeur, etc) déterminer l'état physique du corps analysé.

Base de l'astrophysique, la spectroscopie a permis aux astronomes d'identifier chaque objet du ciel par la simple analyse de son spectre. Ainsi, un spectre uniformément coloré, dit spectre continu, permet de connaître la température et la densité d'une étoile. Si le spectre est cannelé de raies sombres, l'astronome peut en déduire que certains éléments sont présents dans l'étoile, chacun étant caractérisé par une raie bien déterminée propre à l'état de vibration ou de rotation des éléments. De leur emplacement dans le spectre, il peut déterminer la vitesse de l'étoile. Enfin, l'étude d'une raie prise isolément renseigne l'astronome sur la température, la pression et les mouvements de l'atmosphère de cette étoile.

Bien entendu la spectroscopie est très sensible au voile lumineux de l'atmosphère. Tout comme l'astronomie ultraviolette, cette technique ne sera réellement performante que dans l'espace.

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