Club d’Astronomie de Lyon Ampère

La spectrométrie cométaire : historique et théorie

mardi 21 août 2007 par Jean Pierre Masviel

Bref histoire de la spectrométrie cométaire

La spectrométrie cométaire commence véritablement en 1864 avec la comète Tempel 1864 II, étudiée par Giovanni Donati à Florence, puis en 1868 avec la comète Winnecke 1868 II, étudiée par William Huggins en Angleterre. A l’occasion du passage des grandes comètes 1881 III et 1882 II, William Huggins et Henry Drapper emploient pour la première fois la photographie.

Giovanni Donati

Ces différentes observations mettent en évidence les bandes jaune, rouge et bleue du système de Swan, que l’on obtient expérimentalement dans les spectres des décharges électriques dans des gaz d’hydrocarbures. Elles seront identifiées au spectre du radical C2. Ces mêmes observations révélèrent également le système de bandes violettes du spectre dit « du cyanogène » (le cyanogène est la molécule C2N2, mais ces bandes seront en fait identifiées plus tard au radical CN). A cette époque, d’autres raies en émissions sont repérées, mais non identifiées. Par exemple, les bandes du radical C3 ne seront définitivement identifiées que vers 1950.

A ces raies spectrales en émission se superpose un spectre continu dans lequel on observe en absorption les raies plus fines du Soleil, preuve que le rayonnement solaire se réfléchit sur la matière cométaire.

Par la suite, les observations des comètes en spectrométrie
continuèrent à se développer, avec d’une part le prisme-objectif (prisme placé à l’avant de l’instrument, et permettant l’obtention de spectres de faible résolution d’objets peu lumineux), d’autre part le spectrographe à fente ( fournissant des mesures précises en longueurs d’onde sur des régions bien définies d’un objet, comme, par exemple, un noyau cométaire).

Les spectres cométaires sont bien différents des spectres stellaires ou planétaires : ils montrent essentiellement des bandes moléculaires en émission. On trouve peu de signatures moléculaires dans les spectres stellaires (sauf pour les étoiles très froides). Les atmosphères planétaires montrent bien des raies moléculaires, mais elles apparaissent surtout en absorption (dans le visible).

Les premières observations spectrales de comètes concernaient la partie visible du spectre électromagnétique, seule partie facilement accessible depuis le sol avec les technologies de l’époque. Elles permirent l’étude de radicaux qui présentent justement des bandes en émission dans cette partie visible du spectre électromagnétique. Les radicaux sont des fragments de molécules (c’est le cas pour CN, C2, C3, CH, OH, NH, NH2, ...), d’atomes (dans le cas de H, O, Na, ...), d’ions (cas de CO+, CO2+, N2+, H2O+). L’identification de ces signaux est le résultat du travail de plusieurs générations d’astrophysiciens et de spectroscopistes moléculaires, certaines émissions n’étant pas encore totalement identifiées.

Spectre de la comète C/1999 S4 (LINEAR) par C. Buil
source C. Buil

Des molécules stables et volatiles, contenues dans le noyau, sont sublimées, puis cassées par le rayonnement UV du Soleil, les molécules mères se dissociant en molécules filles. Les photons solaires correspondant aux longueurs d’onde caractéristiques des spectres des atomes ou molécules sont absorbés par ces derniers. Ils sont ensuite réémis, soit aux mêmes longueurs d’onde, soit à des longueurs d’onde plus grandes.

A partir des années 1940, d’importants travaux de modélisation (Pol Swings et le groupe d’astrophysique de Liège) ont rendu possible l’interprétation de certains détails des spectres à haute résolution (radicaux OH, C2, ...) . Aujourd’hui, la spectrométrie moléculaire est bien comprise pour ces radicaux, mais du travail reste encore nécessaire pour de nombreuses autres molécules. Par ailleurs, il ne faut pas négliger les résultats obtenus sur des régions spectrales dénuées de telles bandes. Ces travaux visent à mettre en évidence les émissions de poussière cométaire et utilisent des filtres (on parle alors de photométrie). Ce type de mesure est plus adapté à des objets faibles, et permet des études statistiques.

satellite IUE (International Ultraviolet Explorer)

A partir de 1965, l’accès à l’espace a ouvert une nouvelle fenêtre en matière de spectrométrie cométaire, celle de l’ultraviolet, inaccessible depuis le sol à cause de l’atmosphère terrestre. Les premiers spectres UV cométaires furent obtenus sur les comètes Ikeya-Seki 1965 VIII, Tago-Sato-Kosaka 1969 IX, Bennett 1970 II, Kohoutek 1973 XII et West 1976 VI. Plusieurs de ces observations furent menées à l’aide de fusées, mais c’est surtout le satellite IUE (International Ultraviolet Explorer) de la NASA et de l’ESA qui permis à partir de 1978, et pendant plus de quinze années, d’obtenir des spectres UV de plusieurs dizaines de comètes, permettant d’établir une base de données sur 55 comètes. Le satellite HST (Hubble) joua également un rôle dans ce type d’observations, ainsi que plus récemment FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic explorer). Enfin, le spectromètre UV Alice , embarqué sur la sonde Rosetta, doit explorer la comète Churyumov-Gerasimenko en 2014.

Le spectre UV des comètes est dominé par la raie Lyman alpha de l’atome d’hydrogène à 121,5 nm, et par la bande électronique du radical OH, vers 300 nm. La raie Lyman alpha correspond aux émissions en provenance de l’immense nuage d’hydrogène qui entoure les têtes cométaires. OH est sans doute le radical cométaire le plus abondant car il provient essentiellement de H2O. Il est d’ailleurs aussi suivi en radio à 18 cm de longueurs d’onde. Il est très caractéristique du niveau d’activité d’une comète. Un autre signal important dans l’UV concerne CO (vers 145 nm), qui est une molécule stable (et non un radical) pouvant provenir des glaces cométaires. Cette molécule a été détectée pour la première fois dans la comète West 1976 VI et son origine a été précisée lors de la campagne d’observation de la comète de Halley. Le HST a , quand à lui, mis en évidence un système de bandes dit « de Cameron » de CO vers 220 nm. D’autres bandes UV sont celles des atomes C et S, résultant de la photodissociation des molécules carbonées et soufrées.

La spectroscopie moléculaire (émission ou absorption d’un photon par une molécule) peut également être appliquée à l’étude des comètes : pour une molécule, plusieurs catégories d’énergie s’additionnent, correspondant à la rotation de la molécule, la vibration de ses atomes, ou le mouvement de ses électrons. Par exemple, les molécules CO et H2O peuvent être détectées dans le domaine radio, les raies de rotation correspondant dans cette partie du spectre électromagnétique, à un chagement de l’état de rotation de la molécule. Un changement d’état de vibration (des atomes de la molécule) donne quant à lui des raies dans l’infrarouge. Enfin, les transitions correspondant à différents niveaux d’énergie électronique (arrangement des électrons autour des noyaux atomiques de la molécule) donnent des signaux dans les domaines UV, visible et proche infrarouge.

L’évolution des taux de production de différentes molécules dans la comète Hale-Bopp lors de son approche du Soleil, en fonction de la distance héliocentrique, mesurés à partir d’observations radio.
source LESIA

Après les missions VEGA et Giotto (comète de Halley), Stardust (81P/Wild 2) et Deep Impact (9P/Tempel 1), les connaissances sur la composition des comètes devraient à nouveau progresser à l’occasion de la mission Rosetta lancée par l’Agence spatiale européenne le 2 mars 2004 : les quelques survols de comètes ont montré que leur noyau était recouvert d’une couche extrêmement sombre. Cette croûte devient poreuse et peut même être brisée lorsque l’objet se rapproche du système solaire interne, permettant la sublimation des glaces et l’étude de leur composition par spectrométrie. Mais seules des analyses in situ permettront de s’assurer que la matière éjectée est bien représentative de la matière interne, cette matière primitive, formée il y a 4,5 milliards d’années en même temps que les autres corps du système solaire.

Le mécanisme de fluorescence à l’origine des spectres cométaires.

Les spectres cométaires observés dans les domaines UV, visible et infrarouge sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de fluorescence : une molécule, ou un atome, absorbe un photon solaire de longueur d’onde déterminée. Cette molécule, ou cet atome, va être portée à un niveau d’énergie vibrationnelle et/ou électronique plus élevée. Elle va ensuite redescendre à des niveaux d’énergie inférieurs en émettant un ou plusieurs photons. Si le photon est réémis à la même fréquence que celui absorbé, on dit qu’il y a fluorescence résonnante. Mais une molécule excitée électroniquement ou vibrationnellement par un photon solaire peut se désexciter selon différentes voies correspondant à différents changements d’états d’énergie de rotation ou de vibration : il en résulte un spectre de fluorescence riche et caractéristique.

Une excitation électrique peut également conduire à une véritable cascade de fluorescence en passant par plusieurs états électroniques intermédiaires et en émettant ainsi plusieurs photons de longueurs d’onde plus grandes que celle du photon excitateur. Le taux de fluorescence dépend d’une part du rayonnement solaire (très variable dans l’UV selon le cycle de 11 ans), d’autre part de la force intrinsèque de la bande et des rapports de branchements entre les différentes cascades de désexcitation possibles. L’interprétation de la structure des bandes moléculaires demande également la prise en compte des raies d’absorption solaires (raies de Fraunhofer) déplacées en longueurs d’onde par effet Doppler (effet Swings du à la vitesse héliocentrique de la comète).

Les radicaux, ions et atomes observés dans les spectres cométaires

RADICAUX
CN Visible, proche infrarouge
C2 visible, UV, proche infrarouge
C3 visible
CH visible
OH proche UV, infrarouge, radio
NH visible
NH2 visible
CS UV
IONS MOLÉCULAIRES
CH+ visible
OH+ visible
H2O+ visible
CO+ visible, UV
N2+ visible
CO2+ visible, UV
ATOMES
H Visible, UV
C UV
O visible, UV
S UV
Na, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Co, V visible, pour les comètes passant très près du Soleil
IONS ATOMIQUES
C+ UV
Ca+ visible

Article rédigée notamment avec l’aide de l’ouvrage de Jacques Crovisier et Thérèse Encrenaz « Les comètes » Editions BELIN 1995)


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