Notes sur le développement de l'astronomie: les ondes lumineuses, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le développement de l'astronomie: les ondes lumineuses, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le développement de l'astronomie: les ondes lumineuses. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la mécanique céleste, la découverte, l'onde électromagnétique.
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Avec la mécanique céleste, l'astronomie connut une série de succès éclatants. Cependant, son

domaine d'application restait très limité, elle ne décrivait que la position et le mouvement des

corps célestes, sans s'intéresser à la nature de ceux-ci. Ce n'est qu'au XIXe siècle qu'apparut

une nouvelle méthode d'investigation, l'analyse spectrale, qui allait permettre l'étude de la

nature physique des astres et donner naissance à l'astrophysique. Mais avant d'étudier les

applications de cette nouvelle méthode, commençons par nous familiariser un peu avec le

phénomène sur lequel elle repose : la lumière.

Découverte

L'origine des différentes couleurs est un problème qui a toujours intéressé les physiciens. Isaac

Newton fut le premier à en apporter une interprétation correcte. Il montra que la lumière visible

était en fait constituée d'une superposition de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Pour faire

apparaître ces diverses couleurs, il suffit de faire passer la lumière dans un prisme. Chaque

couleur est alors déviée un peu différemment des autres et apparaît de façon distincte des

autres. La lumière blanche peut donc être décomposée en ses diverses composantes et donner

lieu à une succession de couleurs appelée un spectre.

James Clerk Maxwell : Edinburgh, 1831 - Cambridge, 1879

La réponse à la question plus fondamentale de la nature de la lumière fut plus lente à venir.

Dans la deuxième partie du XIXe siècle, le physicien écossais James Clerk Maxwell établit l'une

des pièces maîtresses de la physique classique : la théorie unifiée des phénomènes électriques

et magnétiques, qui est toujours utilisée de nos jours. L'un des résultats les plus importants de

cette théorie était la mise en évidence du lien intime entre champs électrique et magnétique.

Les physiciens savaient déjà qu'un champ magnétique variable pouvait engendrer un champ

électrique, comme dans une dynamo de bicyclette par exemple. Mais Maxwell montra que

réciproquement un champ électrique variable pouvait donner naissance à un champ

magnétique.

Ce résultat avait une implication très importante. Imaginez qu'un champ électrique oscille en un

point. D'après Maxwell, l'oscillation va donner lieu à un champ magnétique autour de ce point.

Le champ magnétique ainsi crée est variable et va à son tour donner naissance à un champ

électrique. Celui-ci va créer un nouveau champ magnétique et ainsi de suite. Les deux champs

peuvent ainsi s'entretenir mutuellement. L'oscillation initiale va donc rapidement se propager

dans toutes les directions autour du point de départ, un peu comme une vague se propage à la

surface de l'eau, et l'on appelle donc le phénomène une onde électromagnétique.

Maxwell calcula dans les années 1860 qu'une onde électromagnétique devait se propager à une

vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde. Or, Hippolyte Fizeau et Jean Foucault avaient

mesuré quelques années auparavant la vitesse de la lumière et obtenait une valeur assez proche

de celle-ci. Maxwell tira la conclusion qui s'imposait et avança que la lumière s'expliquait

comme une onde électromagnétique, une oscillation simultanée des champs électrique et

magnétique qui se propageait à la vitesse fantastique de 300 000 kilomètres par seconde.

L'onde électromagnétique

Pour décrire une onde, le paramètre le plus important est ce que l'on appelle la longueur

d'onde. Dans le cas d'ondes qui se propagent à la surface de l'eau, la longueur d'onde est la

distance qui sépare deux vagues successives. Dans le cas des ondes lumineuses, la longueur

d'onde est la distance qui sépare deux points où les champs atteignent une intensité maximale

au cours de leurs oscillations. Pour la lumière visible, cette longueur d'onde est très petite. Elle

s'exprime en micromètres, c'est-à-dire en millionièmes de mètre, et varie entre 0,4 à 0,75

micromètre.

La couleur que nous observons en regardant un objet dépend de la longueur d'onde de la

lumière qui nous provient de cet objet. Ainsi, un faisceau lumineux de longueur d'onde proche

de 0,8 micromètre nous apparaît rouge. Si la longueur d'onde est proche de 0,5 la couleur est

jaune, et près de 0,4 micromètre elle est violette. La lumière blanche, celle du Soleil par

exemple, est composée d'une multitude de longueurs d'onde différentes, donc de couleurs

différentes.

Le spectre des ondes électromagnétiques ne se limite pas à la lumière que nous pouvons voir.

Les physiciens ont depuis le XIXe siècle découvert toute une gamme de rayonnements

invisibles à nos yeux. Ainsi, au début du siècle dernier, William Herschel étudiait le spectre de la

lumière solaire à l'aide d'un prisme et d'un thermomètre. Ce dernier indiquait une hausse de

température lorsqu'il se trouvait dans le spectre visible, ce qui ne constituait pas une surprise,

mais également lorsqu'il était placé au-delà de la partie rouge du spectre visible. Herschel

venait de découvrir une forme de lumière invisible à nos yeux et pourtant réelle. Ce

rayonnement, qualifié d'infrarouge, est bien connu de nos jours. Il est par exemple utilisé dans

les télécommandes ou dans les systèmes de détection de chaleur. Il couvre un domaine de

longueurs d'onde supérieures à celles de la lumière visible, entre 0,8 micromètre et 1

millimètre.

Pour des longueurs d'onde encore plus grandes, on entre dans le domaine des ondes radio, mis

en évidence par Heinrich Hertz en 1888. Ces ondes sont bien connues puisqu'elles permettent

la diffusion des programmes de radio et de télévision, les communications avec les satellites et

aussi les fours à micro-ondes.

D'autres rayonnements existent aussi à des longueurs d'onde inférieures à celles de la lumière

visible. Pour une longueur d'onde comprise entre 0,01 et 0,4 micromètre, c'est le rayonnement

ultraviolet, connu pour ses effets sur les cancers de la peau. Au-delà, ce sont les rayons X,

utilisés pour observer l'intérieur du corps humain, puis enfin les rayons gamma, très dangereux

et produits par exemple lors de réactions nucléaires.

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