La spectroscopie : lire la composition des astres dans leur lumière
Décomposée par un prisme, la lumière d'une étoile révèle de fines raies sombres. Ces codes-barres disent de quoi l'astre est fait, à quelle vitesse il bouge, et bientôt peut-être ce que respire une planète lointaine.
En 1835, le philosophe Auguste Comte citait la composition chimique des étoiles comme l'exemple même de ce que l'on ne connaîtrait jamais. Quelques décennies plus tard, on la mesurait. L'outil qui a renversé ce pronostic s'appelle la spectroscopie : l'art de décomposer la lumière selon sa longueur d'onde et d'y lire les empreintes de la matière qui l'a émise ou traversée.
Du prisme de Newton aux raies de Fraunhofer
Dans les années 1660, Isaac Newton fait passer un rayon de soleil à travers un prisme de verre et obtient une bande de couleurs, du rouge au violet. Il montre que la lumière blanche est un mélange de couleurs que le prisme sépare parce qu'il ne dévie pas toutes les longueurs d'onde de la même façon.
Au début du XIXᵉ siècle, l'opticien bavarois Joseph von Fraunhofer examine le spectre du Soleil avec des instruments bien meilleurs. Il y découvre des centaines de fines raies noires, qu'il catalogue et désigne par des lettres. Il ignore leur origine, mais ses raies de Fraunhofer deviennent un repère pour tous les opticiens.
Kirchhoff et Bunsen : chaque élément a sa signature
L'explication arrive vers 1860, à Heidelberg. Le physicien Gustav Kirchhoff et le chimiste Robert Bunsen chauffent des substances dans une flamme et observent leur lumière. Chaque élément chimique émet un jeu de raies brillantes qui lui est propre, comme une empreinte digitale. Et un gaz froid placé devant une source chaude absorbe exactement les mêmes longueurs d'onde : il creuse des raies sombres.
Les raies du Soleil sont donc les signatures des éléments présents dans son atmosphère. La raie double que Fraunhofer avait appelée D coïncide avec celle du sodium : le Soleil contient du sodium. Avec la même méthode, Kirchhoff et Bunsen découvrent au laboratoire deux éléments jusque-là inconnus, le césium et le rubidium.
En 1868, lors d'une éclipse totale observée depuis l'Inde, puis dans les mois qui suivent, des astronomes, dont le Français Jules Janssen et l'Anglais Norman Lockyer, relèvent dans la lumière des protubérances solaires une raie jaune qui ne correspond à aucun élément connu. Lockyer l'attribue à un élément nouveau, baptisé hélium, d'après le nom grec du Soleil. Il faudra attendre 1895 pour qu'on l'isole sur Terre : un élément chimique a été identifié dans le Soleil avant d'être trouvé sur notre planète.
Mesurer des vitesses avec l'effet Doppler
Quand une source s'éloigne, sa lumière est décalée vers les grandes longueurs d'onde (vers le rouge) ; quand elle se rapproche, vers le bleu. Pour des vitesses v faibles devant celle de la lumière c, le décalage relatif d'une raie de longueur d'onde \lambda vaut :
\frac{\Delta\lambda}{\lambda} = \frac{v}{c}
C'est l'effet Doppler. Mesurer la position des raies, c'est donc mesurer la vitesse radiale de l'astre, celle qui l'approche ou l'éloigne de nous. Une planète qui tourne autour d'une étoile la fait légèrement osciller : l'étoile s'approche puis s'éloigne périodiquement.
C'est ainsi qu'en 1995 a été découverte 51 Pegasi b, la première planète confirmée autour d'une étoile semblable au Soleil. En 2016, le spectrographe HARPS de l'ESO a révélé Proxima b, autour de l'étoile la plus proche, en détectant une oscillation d'environ 5 km/h, une allure de promeneur, avec une période de 11,2 jours. Le décalage relatif correspondant est de l'ordre de 5\times10^{-9}. Pour l'atteindre, les meilleurs spectrographes sont placés sous vide, à température contrôlée, et étalonnés avec des sources de référence comme les peignes de fréquence laser. HARPS détecte des variations de 3,5 km/h ; son successeur ESPRESSO, installé au Very Large Telescope, vise dix fois mieux.
Lire l'air d'autres mondes
Quand une planète passe devant son étoile, une infime partie de la lumière stellaire traverse son atmosphère avant de nous parvenir. Les molécules de cette atmosphère y impriment leurs raies d'absorption : c'est la spectroscopie de transmission. En 2022, le télescope spatial James Webb a ainsi détecté du dioxyde de carbone dans l'atmosphère de l'exoplanète WASP-39 b. Les futurs instruments de l'Extremely Large Telescope devraient permettre de chercher l'eau, le dioxyde de carbone et le méthane dans l'atmosphère de Proxima b (voir la marche G-SGT-10), tandis qu'un suivi de très longue durée des vitesses d'Alpha du Centaure pourrait peser ses planètes (voir la marche G-SGT-15).
Et sur Terre ?
La spectroscopie est partout : elle identifie les polluants dans l'air et l'eau, contrôle la composition des aciers et des médicaments, détecte des gaz à distance au-dessus des sites industriels. Les peignes de fréquence développés pour l'étalonnage des spectrographes servent aussi la métrologie la plus fine.
Plus de deux siècles après Fraunhofer, l'enjeu est le même : extraire d'une poignée de photons une information sur un monde que l'on ne visitera pas de sitôt. Si une atmosphère lointaine porte un jour la trace d'un déséquilibre chimique inexplicable sans la vie, c'est dans un spectre qu'on la lira d'abord.