Plus que ce que l’oeil ne voit: le spectre électromagnétique Understand article

Traduit par Caroline Neuberg. Claudia Mignone et Rebecca Barnes nous emmènent découvrir le spectre électromagnétique et nous présentent la flotte des missions scientifiques de l'Agence Spatiale Européenne, qui ouvrent nos yeux à un Univers mystérieux et caché.

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l’aimable autorisation de ESA

Nous prenons connaissance du monde autour de nous par nos sens. Nos yeux jouent un rôle important, parce que la lumière nous apporte beaucoup d’informations sur sa source et sur les objets qui la réfléchissent ou l’absorbent. Comme la plupart des animaux, les humains ont un système visuel qui recueille les signaux lumineux et les retransmet au cerveau. Pourtant, nos yeux ne sont sensibles qu’à une très petite portion du spectre lumineux – nous sommes aveugles à tout sauf à ce que nous appelons la lumière ‘visible’.

Où en sommes nous ? Pendant la durée du 19ème siècle, les scientifiques ont découvert et ont visualisé plusieurs différents types de lumière auparavant invisible : ultraviolet (UV) et la radiation infrarouge (IR), les rayons X et les rayons gamma, les ondes radioélectriques et les micro-ondes. Il est bientôt devenu évident que la lumière visible et ces formes nouvellement découvertes de lumière étaient toutes les manifestations de la même chose : la radiation électromagnétique (EM) (voir Figure 1).

Figure 1 : Diagramme du spectre EM avec indication de longueurs d’onde, fréquences et énergies
Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESA / AOES Medialab

Les différents types de radiation EM se caractérisent par leur énergie : les rayons gamma sont les plus énergiques, suivis par les rayons X, UV, visibles et la lumière infrarouge. Les types de radiation électromagnétique avec longueurs d’onde plus longues que la lumière infrarouge sont classés comme les ondes radioélectriques. Ceux-ci sont subdivisés en ondes sous-millimètriques, les micro-ondes et les ondes radioélectriques de plus longue longueur d’onde. La radiation EM se propage comme une onde, même à travers le vide spatial. L’énergie (E) d’une onde est liée à sa fréquence (f) : E = hf, où h est la constante de Planck, d’après le physicien allemand Max Planck. Le rapport entre la fréquence et la longueur d’onde (λ) de la radiation EM est donné par f λ = c, où c est la vitesse de la lumière dans le vide. Ces deux rapports permettent à la radiation EM d’être décrite dans les termes non seulement d’énergie, mais aussi de fréquence ou de longueur d’onde.

La radiation à différentes énergies (ou de fréquences, ou de longueurs d’onde) est produite par des processus physiques différents et peut être détectée différemment – c’est pourquoi, par exemple, la lumière ultraviolette et les ondes radioélectriques ont différentes applications dans la vie quotidienne.

Figure 2 : Le spectre EM et l’opacité de l’atmosphère. a)Les rayons gamma, les rayons X et la lumière UV sont bloqués par l’atmosphère supérieure (le mieux observé de l’espace). b) La lumière visible est observable de la Terre, avec un peu de distorsion atmosphérique. c) La plupart du spectre IR est absorbé par l’atmosphère (le mieux observé de l’espace). d) Les ondes sous-millimètriques et les micro-ondes peuvent être observés de la Terre à de hautes altitudes dans des climats particulièrement secs. e) Les ondes radioélectriques de longueur d’onde moyenne peuvent être observées facilement de la Terre, mais les longueurs d’onde de plus de 10 m sont absorbées par l’atmosphère
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Vers la fin du 19ème siècle, les scientifiques ont commencé à rechercher comment cette radiation cosmique pourrait être capturée pour ‘voir’ des objets astronomiques, telles les étoiles et les galaxies, dans les longueurs d’onde au-delà de la gamme visible. D’abord, ils ont dû surmonter la barrière de l’atmosphère terrestre.

L’atmosphère est, évidemment, transparente à la lumière visible – c’est pourquoi beaucoup d’animaux ont élaboré des yeux qui sont sensibles à cette partie du spectre.

Pourtant, une très faible partie du reste du spectre EM peut pénétrer les couches épaisses de notre atmosphère (Figure 2).

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  • Les rayons gamma – et les rayons X, extrêmement énergiques avec des longueurs d’onde aussi petites ou plus petites que les atomes, sont absorbés par l’oxygène et l’azote dans les couches supérieures de l’atmosphère. Cela protège la vie sur la Terre d’une radiation mortelle, mais rend la détection des radiations difficile pour les astronomes.
  • La plupart mais pas toutes les radiations UV est absorbée par l’oxygène et l’ozone dans les couches supérieures de l’atmosphère et dans la stratosphère. Pour exploiter la radiation UV qui atteint vraiment la Terre, certains animaux ont élaboré des yeux qui peuvent la détecterw1.
  • Les longueurs d’onde plus courtes que la radiation infrarouge peuvent pénétrer l’atmosphère, mais quand les longueurs d’ondes atteignent un micromètre, cette radiation infrarouge a tendance à être absorbée par la vapeur d’eau et d’autres molécules dans l’atmosphère.
  • La même chose arrive aux radiations sous-millimètriques – les ondes radioélectriques avec des longueurs d’onde de quelques centaines de micromètres à environ 1 millimètre – et aux micro-ondes. Elles peuvent être observées en utilisant des équipements terrestres situés dans des régions à haute altitude avec un climat particulièrement sec (comme décrit par Mignone & Pierce-Price, 2010), ou avec des expériences en ballon ou dans l’espace.
  • L’atmosphère est transparente aux ondes radioélectriques de longueur d’onde moyenne, qui peuvent facilement être étudiées du sol, mais elle bloque les ondes radioélectriques avec les longueurs d’ondes plus longues que dix mètres.

Plus au sujet de l’ESA

L’Agence Spatiale Européenne (ESA)w2 est la porte d’accès de l’Europe à l’espace, organisant des programmes de développement de connaissances de la Terre, de son environnement spatial proche, de notre Système Solaire et de l’Univers, aussi bien que de coopérer dans l’exploration humaine spatiale, de développer des technologies et des services centrés sur les satellites et de promouvoir les industries européennes.

Le Conseil d’Administration de Science et d’Exploration Robotisée est consacré au programme de science spatial de l’ESA et à l’exploration robotisée du Système Solaire. Dans la quête pour comprendre l’Univers, les étoiles et les planètes et les origines de la vie elle-même, les satellites scientifiques de l’ESA sondent les profondeurs du cosmos et des galaxies les plus éloignées, étudient le Soleil avec des détails sans précédent et explorent nos voisins planétaires.

ESA est un membre d’EIROforumw5, l’éditeur de Science in School.


 

L’opacité de l’atmosphère n’est pas le seul défi qu’elle pose aux astronomes; sa turbulence diminue aussi la qualité des observations astronomiques même aux longueurs d’onde qui atteignent la Terre, comme la lumière visible. Pour faire face à ces problèmes, durant la deuxième moitié du 20ème siècle, après la naissance de l’ère spatiale, les astronomes ont commencé à lancer leurs télescopes au-delà de l’atmosphère, dans l’espace. Début d’une révolution dans l’astronomie comparable à l’invention du premier télescope, il y a juste plus de 400 ans.

Figure 3 : La galaxie d’Andromede, la plus proche de la Voie Lactée, vue à de différentes longueurs d’onde. Les observations de lumière visible, avec un télescope à base de terre, montrent des centaines de milliards d’étoiles qui forment la galaxie. Les observations aux longueurs d’onde infrarouges lointaines, par l’observatoire spatial Herschel, révèlent le mélange de gaz (principalement) et de poussières d’où de nouvelles étoiles seront nées. Les observations de rayons X, par l’observatoire d’espace de XMM-Newton, montrent le rougeoiement émis par les étoiles près de la fin de leur cycle de vie ou par les restants d’étoiles qui sont déjà mortes
Images reproduites avec l’aimable autorisation de Robert Gendler (la lumière visible); ESA / Herschel / PACS / l’AIGUILLE / J Fritz, U Monsieur (infrarouge); ESA / le XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (les Rayons X)

Parce que différents processus physiques émettent les radiations de différentes longueurs d’onde, les sources cosmiques émettent dans une ou plusieurs portions du spectre EM. En exploitant les télescopes terrestres et spatiaux, les astronomes peuvent donc aujourd’hui combiner des observations d’un bout à l’autre du spectre, ce qui a produit une image auparavant cachée et extrêmement captivante de l’Univers (Figure 3 et Figure 4). Les observations dans la gamme IR, par exemple, montrent le mélange autrement invisible de poussières et de gaz qui remplit des espaces interstellaires et d’où de nouvelles étoiles sont nées. En découvrant les rayons gamma – et les Rayons X, les astronomes peuvent observer les phénomènes les plus puissants dans l’Univers, comme les trous noirs dévorant la matière et des explosions de supernova.gas that fills interstellar spaces and from which new stars are born. By detecting gamma- and X-rays, astronomers can observe the most powerful phenomena in the Universe, such as black holes devouring matter and supernova explosions.

Figure 4 : La Nébuleuse d’Orion, ‘une crèche’ cosmique iconique, vue à de différentes longueurs d’onde. La zone bleue agrandit une partie de la constellation Orion et la zone orange agrandit encore plus, montrant la Nébuleuse d’Orion dans de plus grands détails. Cette région, où des milliers d’étoiles se forment, semble radicalement différente à travers le spectre EM. Les observations dans la lumière visible, à partir d’observatoires terrestres, montrent surtout des étoiles, tandis que les observations à de plus longues longueurs d’onde (proche – et milieu infrarouge, (sub)millimètrique et micro-ondes) révèlent le mélange compliqué de gaz froid et de poussières dont les étoiles sont nées. A l’opposé, les observations de rayons X montrent le gaz extrêmement chaud éjecté par les étoiles jeunes et massives
Images reproduites avec l’aimable autorisation de ESA / AOES Medialab (la composition générale); Kosmas Gazeas (lumière visible, grande image); STScI-DSS (l’image claire, petite visible); ESA, LFI et les Consortiums HFI (micro-ondes et le (sub)millimètrique); AAAS / la Science, le XMM-Newton de l’ESA et la NASA les données de Spitzer (le milieu d’infrarouge et les Rayons X); la NASA, ESA, le M Robberto (l’Institut de Science de Télescope Spatial / ESA) et le Télescope Spatial Hubble Orion Treasury Project Team (visible et presque infrarouge)

Regardant les cieux: astronomie terrestre

Complémentaire aux télescopes spatiaux de l’ESA sont les télescopes terrestres de l’Observatoire Européen Austral (ESO)w4. Pour minimiser la distorsion des résultats par l’atmosphère terrestre, ESO fait marcher des télescopes dans des sites au Nord du Chili, qui sont parmi les meilleurs endroits dans l’hémisphère austral pour les observations astronomiques à cause de leur haute altitude et de l’atmosphère sèche.

Comme l’ESA, ESO fait des observations dans de différentes parties du spectre EM. Le Très Grand Télescope d’ESO (VLT) est le télescope le plus avancé du monde dans le domaine visible et infrarouge, se composant de quatre télescopes de diamètre 8.2 m et de quatre plus petits télescopes, qui peuvent collaborer en interférométrie pour permettre des observations dans de plus grands détails. En cours de construction toujours dans le désert d’Atacama est ALMA, le plus grand projet d’astronomie terrestre existant. Le résultat d’une collaboration entre ESO et les partenaires internationaux, ALMA découvrira la radiation sous-millimètrique et millimètrique, en permettant aux astronomes d’observer certains objets les plus froids et les plus lointains dans l’Univers avec une bien meilleure résolution et sensibilité qu’il est à présent possible (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO est un membre d’EIROforumw5, l’éditeur de Science in School (Science dans l’École).


 

Le fait de sonder le cosmos à travers le spectre EM est un des objectifs scientifiques de l’Agence Spatiale Européenne (ESA; voir encadré)w2, qui a actuellement cinq missions en opération dévouées à l’astronomie (voir Figure 5). Dans l’ordre des énergies augmentantes, elles sont de types : Planck (le sous-millimètrique et les micro-ondes), Herschel (IR), le Télescope Spatial Hubble (visible, ainsi que une portion IR et UV), le XMM-Newton (les rayons X) et INTEGRAL (les rayons gamma et X)w3.

Figure 5 : la flotte actuelle et future des missions de l’ESA sondant l’Univers à travers le spectre EM. De gauche à droite : les ondes radioélectriques, les micro-ondes, la radiation sous-millimètrique, infrarouge, lumière visible , ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Cliquer sur l’image pour l’agrandir
Image reproduite avec l’aimable autorisation de ESA

Dans les futures articles de Science in School, nous explorerons le spectre EM dans de plus grands détails avec l’aide de la flotte des télescopes spatiaux passés et présents de l’ESA, qui ont contribué au remodelage de notre compréhension de l’Univers.

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References

Web References

  • w1 – À la différence des humains, certains animaux sont en mesure de voir la lumière UV.
  • w2 – Pour plus d’informations sur l’ESA, voir : www.esa.int
    • Pour apprendre plus sur les activités du Conseil d’Administration de Science et d’Exploration Robotisée de l’ESA, visiter : www.esa.int/esaSC

  • w3 – Pour une vue spectaculaire des nombreuses différentes ‘couleurs’ de la galaxie d’Andromède, sondé dans différents domaines du spectre EM par les différentes missions de l’ESA, voir : www.esa.int/export/esaSC/SEM5IUYGRMG_index_0.html
  • w4 – ESO est l’observatoire astronomique le plus productif au monde, avec son siège social à Garching près de Munich, Allemagne et ses télescopes au Chili. Pour apprendre plus sur l’ESO, le VLT, ALMA et les autres équipements de l’ESO, voir : www.eso.org
  • w5 – Pour en apprendre plus sur l’EIROforum, voir : www.eiroforum.org

Resources

  • Science@ESA vodcasts explorent notre Univers à travers les yeux de la flotte d’engin scientifique spatial de l’ESA. L’épisode 1 (‘le spectre complet’) examine pourquoi nous devons envoyer des télescopes dans l’espace et ce qu’ils peuvent nous dire de l’Univers. Voir : http://sci.esa.int/vodcast
  • Pour en apprendre plus sur l’atmosphère terrestre et le rôle – et la perte – de l’ozone, voir :
  • Pour voir comment l’enseignant de physique Alessio Bernadelli a inspiré ses étudiants au sujet du spectre EM en les invitant à produire leur propre émission de télévision sur le sujet, voir le blog d’Alessio (http://alessiobernardelli.wordpress.com) ou utilisez le lien direct : http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Pour apprendre comment la longueur d’onde à laquelle un objet céleste émet la plupart de sa lumière est liée à la température de l’objet, voir : http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • ESA a produit une large gamme de matériel éducatif librement disponible pour soutenir les enseignants dans la classe, qui inclue des imprimés, des DVDs et des vidéos en ligne, des kits d’enseignement et des sites Internet. Pour voir la liste complète, visiter : www.esa.int/educationmaterials
  • Pour trouver toutes les activités éducatives de l’ESA, voir : www.esa.int/education

 

Institution

ESA, ESO

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium pour l’ESA – l’Agence Spatiale Européenne, est un auteur de science pour l’ESA. Elle a une qualificaion en astronomie de l’Université de Bologne, Italie et un doctorat en cosmologie de l’Université d’Heidelberg, Allemagne. Avant de rejoindre l’ESA, elle a travaillé dans le programme de dissemination scientifiques de l’Observatoire Européen Austral (ESO).

Rebecca Barnes, Hautes education des Opérations Spatiales de l’ESA – l’Agence Spatiale Européenne, est l’Officier d’Éducation pour le Conseil d’administration d’Exploration Robotisé et des Sciences de l’ESA et. Elle a un diplôme en physique avec option astrophysique de l’Université de Leicester, Royaume-Uni et a auparavant travaillé dans l’éducation et les départements de communications spatiaux du Centre Spatial national du Royaume-Uni. Pour en apprendre plus sur les activités éducatives du Conseil d’administration d’Exploration Robotisé et Scintifique del’ESA, contactez Rebecca à SciEdu@esa.int


Review

Cet article présente au lecteur des applications du spectre électromagnétique qui ne sont pas d’habitude considérées sur ce sujet. En outre, il fournit des opportunités aux enseignants pour éduquer leurs étudiants et les motiver à davantage de recherche dans ce thème fascinant.

Les ESA vodcasts mentionnés dans la section des ressources sont d’excellents supports pour motiver les étudiants sur le thème de radiation d’EM. Les enseignants peuvent aussi souscrire pour recevoir les vodcasts les plus récents.

Quelques questions de compréhension et d’extension possible incluent :

  1. Quel genre d’ondes sont les radiations électromagnétiques ? Transversales ou longitudinales?
  2. Donner des exemples de types de radiation électromagnétique avec des fréquences plus hautes et plus basses que la lumière visible.
  3. Décrire quelques applications technologiques de la lumière visible et des ondes radioélectriques.
  4. Croyez-vous que la pollution affecte la quantité de radiation découverte ? Argumenter.
  5. 5. Nommer un effet préjudiciable de la lumière UV quand elle n’est pas arrêtée par l’ozone dans les couches atmosphériques supérieures.
  6. Quel est un obstacle important dans l’utilisation efficace des télescopes terrestres ?

Nous associons normalement le lancement de télescopes astronomiques avec la NASA. Cet article, pourtant, précise que l’Europe étudie aussi activement les cieux – ce qui devrait rendre le thème plus familier pour les étudiants européens et rendre la science plus pertinente.


Angela Charles, Malta




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