Club d’Astronomie de Lyon Ampère

Historique de la spectroscopie

vendredi 22 décembre 2006 par Olivier Thizy

Spectre : n.m. (lat. Spectrum, de spectare, regarder, v. 1570) Ensemble de rayons colorés résultant de la décomposition d’une lumière complexe : le spectre solaire comprend les couleurs de l’arc-en-ciel.

Ainsi définit le dictionnaire Larousse la décomposition de la lumière en spectre. Après une averse, il n’est pas rare d’observer un arc-en-ciel. Ce phénomène est le résultat de la décomposition de la lumière du Soleil par les fines gouttelettes d’eau en suspension dans l’atmosphère.

L’ère avant Newton

Vers 300 avant JC, Euclide enseignait les mathématiques à Alexandrie. Il a écrit "les éléments", un ouvrage de référence sur la géométrie, et "optique", un ouvrage dans lequel il met en exergue quelques définitions fondamentales dont la propagation des rayons lumineux en ligne droite.

Au I­er siècle avant JC, le mathématicien et mécanicien grec Héron l’Ancien écrit "catoptrique" dont on a une traduction latine. Il y expose une théorie de la vision et étudie les phénomènes de réflexion de la lumière sur les miroirs plans, convexes, ou concaves. Il expose le principe selon lequel la lumière suit toujours le chemin le plus court, démontrant ainsi la loi fondamentale de la réflexion : l’égalité des angles de réflexion et d’incidence.

Ces lois fondamentales sont très importantes, mais n’explique pas la nature de la lumière. Un demi-siècle avant JC, le poète Lucrèce expose dans "de natura rerum" - un texte didactique des théories d’Epicure - le principe que les corps lumineux projettent dans l’espace, à grande vitesse, de fines pellicules qui se détachent de leur surface même et en reproduisent l’apparence locales. Recueillis par l’œil humain, ces "simulacres" reconstituent à l’échelle réduite l’aspect extérieur des corps dont ils émanent et dont ils sont supposés conserver toutes les propriétés sensibles. Cette théorie de "grains" se déplaçant à très grande vitesse, bien que dénuée de fondement scientifique exposée ainsi, va toutefois trouver des siècles plus tard un écho remarquable.

Au début du IIe siècle, Ptolémée a composé une immense œuvre sur l’astronomie, les mathématiques, la physique, la géographie, la musique, etc. Ce grand nom de la science alexandrine écrivit "optique", un ouvrage sans nouveauté mais regroupant les connaissances de l’époque en un tout méthodique, véritable point de départ aux recherches ultérieures. L’ouvrage a le mérite de présenter pour la première fois une étude approfondie du phénomène de la réfraction. Nous sommes également redevables à Ptolémée de considérations d’ordre philosophique sur la nature de la lumière, de la vision, et des couleurs.

Au moyen âge, Ibn al-Haytham, né vers 965 à Bassora en Irak, et plutôt appelé al-Hazen en occident, a laissé des écrits très intéressants sur la vision. Il s’oppose en particulier à la théorie antique selon laquelle l’œil émet des rayonnements qui explorent les objets et transmettent les sensation visuelles à l’esprit. Son "optique", publiée à Bâte en 1572, offre la première description scientifique du fonctionnement de l’œil, mentionnant clairement que l’objet, et non l’œil, est la cause de la vision.
En 1304, Théodoric de Fribourg expliqua correctement le phénomène des arcs-en-ciel. Par expérimentation avec un bol sphérique rempli d’eau, il montra que l’arc provient de la réflexion de la lumière du Soleil par des gouttelettes d’eau dans l’atmosphère.

A la fin du XVIe siècle, les physiciens s’interrogent toujours sur la nature de la lumière et de la matière. La lumière est-elle un corps ou un mouvement d’un corps. Les différentes théories proposent une interprétation ni vraiment corpusculaire, ni vraiment ondulatoire.
En 1637, Descartes fait paraître son traité "dioptrique" à la suite de son "discours sur la méthode". Sans plus d’éclaircissement sur la nature de la lumière, il exprime pour la première fois sous forme mathématique les lois de la réflexion et de la réfraction.

Isaac Newton

L’œuvre d’Isaac Newton (1642-1727) fut charnière entre la renaissance et la relativité d’Albert Einstein. Comme ce dernier, Newton "a pu voir plus loin parce qu’il était assis sur des épaules de géants", selon ses propres dires. Son œuvre inaugura, par sa synthèse magistrale, une nouvelle ère de la pensée scientifique qui dura plus de deux siècles, et dont la science moderne est encore largement l’héritière, même après les nombreux bouleversements survenus en mathématique et en physique.

Né le 25 Décembre 1642, quelques mois après le décès de son père, dans une famille de petits propriétaires terriens, Isaac Newton fut un enfant de santé fragile. Sa mère, Hannah, le confia, lors de son remariage - Isaac avait alors 3 ans -, à sa grand-mère et à son oncle, auprès desquels il passa ses années de jeunesse dans la maison familiale, dans la hameau de Woolsthorpe près de Grantham, Lincolnshire. Son caractère se ressentit de cette situation. Plus tard, il ne connut pas de femme et ne se maria jamais. De cette période, on ne retient pas de traits particuliers de la personnalité du jeune Isaac, sinon une prédilection pour les constructions mécaniques et une grand habilité manuelle.

En 1661, Isaac Newton entra au Trinity College de Cambridge où il fit ses études supérieures. Il devint "bachelor of arts" en Juin 1665. L’épidémie de peste ayant occasionné la fermeture de l’université, il mis à profit son séjour de dix-huit mois dans le Lincolnshire pour se livrer à la réflexion et à la recherche, posant les jalons de son œuvre scientifique.

Isaac Newton fut aussi bien mathématicien et astronome que physicien et mécanicien, expérimentateur que théoricien. Il renouvela l’analyse et la géométrie en inventant le calcul différentiel et intégral, dont il partage la paternité avec Leibnitz. Il unifia les lois de Kepler en astronomie et celles de la mécanique terrestre de Galilée en fondant mécanique rationnelle par une définition précise de ses concepts fondamentaux (espace, temps, masse, force, accélération), par l’énoncé des lois générales du mouvement et la formulation mathématique des lois particulières, locales et instantanées (c’est-à-dire causales), pour des forces données, et en établissant sa théorie de la gravitation universelle. Son analyse expérimentale et théorique des propriétés physiques de la lumière et des couleurs ouvrit un nouveau domaine riche de perspective sur la constitution de la matière : l’optique physique.

Travaillant, dans la suite de Kepler et du scientifique philosophe français René Descartes, à la recherche des dioptres parfaits par la taille et le polissage de lentilles non sphériques, il se rendit compte de la persistance d’une aberration chromatique importante, même lorsque l’aberration sphérique était diminuée. En 1664, toujours étudiant, Newton lu les travaux récents sur l’optique et la lumière des physiciens anglais Robert Boyle (1627-1691) et Robert Hooke. Il effectua alors ses observations sur la lumière du Soleil à l’aide de prismes par lesquels il conclut au caractère composite de la lumière blanche, et à l’inégale réfrangibilité des rayons de couleurs différentes. Il conçut ensuite l’idée du télescope à réflexion pour éviter les limitations de la lunette dues à la dispersion chromatique.

Newton avait conclu de ses recherches sur la lumière que les couleurs "ne sont pas des qualifications de la lumière provoquées par la réflexion ou la réfraction sur les corps naturels", comme on le croyait alors, mais par "des propriétés originelles et spécifiques", différentes pour les différents rayons. Il poursuivit ses recherches, qu’il communiqua de 1672 à 1676 à la Royal Society. Il enseigna de 1670 à 1672 à Cambridge ("lectiones opticae"). Cela provoque beaucoup de critiques hostiles, car les couleurs étaient supposées être une forme modifiée par la matière d’une lumière blanche homogène. Le scepticisme de Christiaan Huygens et les tentatives ratées du physicien français Edmé Mariotte de dupliquer en 1681 l’expérience de réfraction de Newton montèrent les scientifiques du continent contre Newton pour une génération. Il publia bien plus tard, en 1704, une synthèse avec son ouvrage "Optique", les critiques étant plus faibles alors.
Il proposa une explication de la distribution des couleurs de l’arc-en-ciel et des positions respectives des différents arcs par rapport à l’arc primaire, complétant ainsi la théorie qu’en avait donné Descartes en suivant le trajet de la lumière dans une goutte de pluie en suspension.

S’il concevait des ondes associées à la lumière, tout en préférant voir en celle-ci des corpuscules de différentes vitesses, il ne se prononça pas sur la raison profonde de ce lien. Il hésita, quand à la nature de la lumière, entre une conception purement corpusculaire et une théorie vibratoire de l’éther, puis abandonna cette dernière pour une théorie des "accès de facile réflexion et transmission".

Isaac Newton fut donc le premier à montrer que la lumière blanche du Soleil est en fait un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Il fit l’expérience suivante : dans une pièce noire, il fit une fente dans un écran opaque ; il fit passer la lumière du Soleil à travers cette fente, puis à travers un prisme en verre et une lentille convergente. Il obtint des images colorées de la fente sur un écran blanc. L’ensemble de ces images constituent un spectre pur de la lumière blanche du Soleil. Le prisme dévie la lumière, mais plus les rayons bleus que les rayons rouges. Les couleurs apparaissent sur l’écran blanc dans l’ordre suivant : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, et rouge. Newton en tira la conclusion que les couleurs sont toutes présentes dans la lumière blanche du Soleil et que le prisme a pour effet de les séparer, en un "spectre".

Newton montra ensuite que les couleurs du spectre ne peuvent pas se décomposer en de nouvelles couleurs : si on envoie de la lumière verte sur un prisme, on retrouve la même lumière en sortie. Cette lumière est dite monochromatique. Par l’ajout d’un second prisme, il recomposa la lumière blanche.
Voici la relation que Newton donne lui-même d’une suite d’expériences qui précisent en particulier ce qu’il faut entendre par la couleur d’un corps :

"...après que j’eus séparé les rayons hétérogènes les uns des autres, le spectre, formé par les rayons séparés, en avançant depuis son extrémité sur laquelle tombèrent les rayons les plus réfrangibles, jusqu’à sont autre extrémité sur laquelle tombèrent les rayons les moins réfrangibles. ==, parut les couleurs suivantes dans l’ordre que je vais les nommer : le violet, l’indigo, le bleu, le vert, le jaune, l’orangé, le rouge, avec tous leurs degrés intermédiaires dans une continuelle succession qui variait perpétuellement ; de sorte qu’on voyait autant de degrés de couleurs qu’il y avait d’espèces de rayons de différente réfrangibilité.

"Or, que ces couleurs ne pussent point être changées par réfraction, c’est de quoi je m’assurai en rompant avec un prisme tantôt une très petite partie de cette lumière et tantôt une autre. Car par cette réfraction, la couleur de la lumière ne fut jamais changée le moins du monde. Si quelque partie de l lumière rouge était rompue, elle demeurait entièrement du même rouge qu’auparavant. Cette réfraction ne produisait ni orangé, ni jaune, ni vert, ni bleu, ni aucune autre nouvelle couleur. Et bien loin que la couleur fût changée en aucune manière par des réfractions répétées, c’était toujours le même rouge que la première fois. Je trouvai la même immuabilité dans le bleu, le jaune, et les autres couleurs. De même, lorsque je regardai au travers d’un prisme quelque corps illuminé de quelque partie que ce fût de cette lumière blanche homogène, il ne me fut pas possible d’apercevoir aucune nouvelle couleur produite par ce moyen là. Tous corps illuminés d’une lumière hétérogène, regardés au travers d’un prisme, paraissent confus et teints de diverses couleurs nouvelles. Mais ceux qui sont illuminés d’une lumière homogène ne paraissent, au travers des prismes, ni moins distincts, ni autrement colorés que lorsqu’on regardait simplement avec l’œil. La couleur n’en était nullement changée par la réfraction du prisme interposé. Je parle ici d’un changement sensible de couleur. Car la lumière que je nomme ici homogène, n’étant pas homogène absolument à toute rigueur, son hétérogénéité doit produire un petit changement de couleur. Mais lorsque cette hétérogénéité diminuait jusqu’au point où on peut la réduire par les expériences mentionnées ci-dessus, ce changement de couleur était insensible ; et par conséquent, dans des expériences où les sens sont juges, il doit être compté pour rien.

"Et comme ces couleurs ne pouvaient point être changées par des réfractions, elles ne l’étaient pas non plus par des réflexions. Car tout corps blanc, gris, rouge, jaune, vert, bleu, violet, comme le papier, les cendres, le vermillon, l’orpiment, l’indigo, l’azur, l’or, l’argent, le cuivre, l’herbe, les fleurs bleues, les violettes, les bulles d’eau teintées de différentes couleurs, les plumes de paon, la teinture du bois néphrétique, et autres telles choses, tout cela exposé à une lumière homogène rouge paraissait entièrement rouge ; à une lumière verte, entièrement vert, et ainsi des autres couleurs. Dans la lumière homogène de quelque couleur que ce fût, tous ces corps paraissaient totalement de cette même couleur, avec cette seule différence que quelques-uns réfléchissaient cette lumière d’une manière plus forte et d’autres d’une manière plus faible. Mais je n’ai point trouvé de corps qui, en réfléchissant une lumière homogène, pût en changer sensiblement la couleur.

"De tout cela, il s’ensuit évidemment que si la lumière du Soleil ne consistait qu’en une seule sorte de rayons, il n’y aurait qu’en une seule couleur dans le monde ; qu’il ne serait pas possible de produire aucune nouvelle couleur par voie de réflexion et de réfraction ; et que, par conséquent, la diversité des couleurs dépend de ce que la lumière est un composé de rayons de différentes espèces."

A la mort d’Isaac Newton en 1727, beaucoup reconnaissent son génie. Dans son "épitaphe pour Newton", le poète Alexandre Pope écrit :

La nature et les loi de la nature se cachaient dans la nuit;
Dieu déclara: 'Que Newton soit', et la lumière fut.

Newton n’utilisa pas de rayons lumineux assez fins pour observer les raies sombres du spectre solaire. La spectroscopie aurait pu sinon s’éviter une longue période, près de un siècle et demi, sans grande avancée après lui.

L’évolution de la spectroscopie

Bien après Newton, en 1800, William Herschel fit l’expérience avec un thermomètre de mesurer la température le long du spectre solaire ; il montra qu’une chaleur existait au delà du rouge dans le domaine spectral. Il appela ces radiations les infrarouges. En 1801, Ritter démontra que des radiations similaires existaient au delà du violet, radiations qui étaient capables de produire des réactions chimiques (comme sur les plaques photographiques). Cette partie du spectre est connue comme les ultraviolets. Les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés par notre atmosphère, et le meilleur moyen de les observer à bord de ballons en haute altitude ou avec des satellites artificiels.

En 1802, William Wollaston (1766-1828) en Angleterre observa des lignes sombres dans le spectre du Soleil mais les pris pour des limites naturelles entre les couleurs. Joseph Fraunhofer (1787-1826) en Bavière fut le premier, en 1814, à utiliser une fente pour produire un faisceau lumineux très fin. Il développa également des méthodes pour fabriquer des prismes de meilleurs qualité qu’auparavant. Il réussit ainsi à observer presque 600 raies dans le spectre du Soleil. En 1823, il pu mesurer les longueurs d’onde et répertoria 24 raies. Il étiqueta les 9 raies (ou groupes de raies) les plus brillantes avec des lettres de l’alphabet. Cette notation est encore utilisée de nos jours. Les raies du Sodium D et les raies du Calcium H & K sont les plus connues des raies de Fraunhofer.

William Wollaston et Joseph Fraunhofer utilisent ensemble des prismes pour étudier les couleurs émises par différents éléments chimiques. Vers 1830, il est suggéré que, sous certaines circonstances, chaque élément chimique émet un jeu spécifique de couleurs, comme une "empreinte digitale".

Le spectre solaire fut photographié pour la première fois en 1842 par Alexandre Becquerel. En 1852, Jean Foucault démontra que la lumière traversant une flamme de Sodium contient des raies sombres coïncidant avec les raies D du spectre du Soleil.

La spectroscopie a réellement débuté dans les laboratoires de Bunsen et du physicien allemand Gustav Kirchhoff (1824-1887) à l’université d’Heidelberg. A partir de ses expériences, Kirchhoff a pu formulé ses trois lois empiriques de la spectroscopie. Une des premières applications de ces lois fut d’essayer la composition chimique du Soleil et des étoiles.

De nouveaux éléments comme le Caesium et le Rubidium, sont découverts sur Terre par Kirchhoff et Bunsen à partir de leur spectres. Kirchhoff découvrit dans le Soleil une demi-douzaine d’éléments dont le Fer. En 1862, Anders Angstrom identifia l’hydrogène dans le Soleil.
En 1864, l’astronome anglais Sir William Huggins (1824-1910) avait déjà identifié neuf éléments dans l’étoile Aldébaran. La même année, il montra qu’une nébuleuse planétaire avait un spectre en émission, expliqué par la présence d’un gaz chaud émettant de la lumière. Une comète brillante observée à la même époque montra également un spectre en émission. Huggins est considéré comme le père de la spectroscopie astronomique. Il conçu et construisit la plupart de ses instruments et inventa le principe du spectre de comparaison permettant une calibration précise en longueur d’onde. Cela lui permit de mesurer les décalages liés aux vitesses radiales. Par exemple, en 1868, il mesura la vitesse radiale de Sirius : 47km/s. Huggins développa l’utilisation de la photographie spectrale ; il observa les spectres de la chromosphère, des protubérances, et de la couronne solaire ; il observa le spectre d’une nova et investigua le proche UV dans les spectres d’étoiles. Herman Vogel mesura également les vitesses radiales de plusieurs étoiles. En 1871, il mesura par effet Doppler la vitesse de rotation du Soleil, un décalage de 0.03A !

En 1868, Sir Norman Lockyer (1836-1920) détecta dans le Soleil la présence d’un élément alors inconnu sur Terre - on le découvrit par la suite dans du gaz naturel mais il conserva son nom d’origine solaire : l’hélium. Le Coronium fut aussi découvert et nommé du fait de sa présence dans la couronne solaire ; le Nébulium fut découvert dans des spectres de nébuleuses interstellaires. Mais le Coronium n’existe pas ; il s’agit d’un haut niveau d’ionisation d’atomes déjà existants. Le Nébulium provient lui de transitions interdites et n’est pas non plus la trace d’un nouvel élément !

En 1889, Antonia Maury découvrit, par le dédoublement périodique des raies spectrales, que Mizar était une étoile binaire. Le même phénomène fut montré sur Algol, ce qui était déjà soupçonné de part la forme de sa courbe de luminosité.

A partir de 1863, sous l’impulsion du père Secchi, la spectroscopie prend un tournant important. C’est le début de la classification spectrale. En 1882, Henry Rowland fit des progrès dans la fabrication de réseaux, outil largement utilisé de nos jours en spectroscopie. Les réseaux de diffraction se présentent d’un grand nombre de fentes parallèles très fines et très rapprochées ; typiquement entre 100 fentes par millimètre et plus de 2000 traits/mm de nos jours. Par un phénomène assez complexe d’interférences des ondes lumineuses, les réseaux à diffraction produisent à peu près le même effet que les prismes, mais avec une meilleure résolution et un meilleur étalement.

Au début du XXième siècle, les liens se sont resserrés entre les chercheurs chimistes ou physiciens dans leurs laboratoires et les astronomes dans leurs observatoires. De cette collaboration est née une nouvelle façon de voir le monde et l’univers qui nous entoure. Nos yeux se sont ouverts avec l’analyse des ondes électromagnétique qui nous parvient des astres aussi bien dans le domaine du visible que dans d’autres domaines comme les rayons X, Gamma, radio, infrarouge, ultraviolet, etc...

Avec la possibilité d’utiliser des capteurs sensibles, comme les caméra CCD, et des réseaux à des prix abordables, les astronomes amateurs ont maintenant eux aussi accès à ce domaine qu’est la spectroscopie. Des amateurs comme Christian Buil ou Valérie Desnoux, en mettant à notre disposition des outils logiciels comme Iris ou VisualSpec, contribuent grandement à l’essor de ce type d’observations. Dans leurs études, les professionnels utilisent essentiellement la spectroscopie ; une étude menée par François Colas sur les mission à l’ESO montre que plus de 75% du temps d’observation est consacré à l’imagerie spectrale. Les amateurs continuent pour leur part à observer en imagerie classique ; il reste donc, pour notre plus grand bonheur, encore beaucoup à faire dans ce domaine !


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