Mot de la semaine: spectre électromagnétique

Spectre de couleurs via Shutterstock.

Quand vous pensez à la lumière, vous pensez probablement à ce que vos yeux peuvent voir. Mais la lumière à laquelle nos yeux sont sensibles n’est que le début; c'est un fragment de la quantité totale de lumière qui nous entoure. Le spectre électromagnétique est le terme utilisé par les scientifiques pour décrire toute la gamme de lumière existante. Des ondes radio aux rayons gamma, la majeure partie de la lumière dans l’univers est, en fait, invisible pour nous!

La lumière est une onde de champs électriques et magnétiques alternés. La propagation de la lumière n'est pas très différente de celle des vagues traversant un océan. Comme toute autre onde, la lumière possède quelques propriétés fondamentales qui la décrivent. L'un est sa fréquence, mesurée en hertz (Hz), qui compte le nombre d'ondes qui passent d'un point en une seconde. Une autre propriété étroitement liée est la longueur d'onde : la distance entre le pic d'une onde et le pic d'une autre. Ces deux attributs sont inversement liés. Plus la fréquence est grande, plus la longueur d'onde est petite - et inversement.

Vous pouvez vous souvenir de l'ordre des couleurs dans le spectre visible avec le mnémonique ROY G BV. Image via l'Université du Tennessee.

Les ondes électromagnétiques détectées par vos yeux - la lumière visible - oscillent entre 400 et 790 térahertz (THz). C'est plusieurs centaines de milliards de fois par seconde. Les longueurs d'onde ont à peu près la taille d'un gros virus: 390 à 750 nanomètres (1 nanomètre = 1 milliardième de mètre; un mètre mesure environ 39 pouces de long). Notre cerveau interprète les différentes longueurs d'onde de la lumière sous différentes couleurs. Le rouge a la longueur d'onde la plus longue et le violet la plus courte. Lorsque nous passons la lumière du soleil à travers un prisme, nous constatons qu’il est composé de nombreuses longueurs d’onde de lumière. Le prisme crée un arc-en-ciel en redirigeant chaque longueur d'onde d'un angle légèrement différent.

Tout le spectre électromagnétique est beaucoup plus que de la lumière visible. Cela englobe une gamme de longueurs d'onde d'énergie que nos yeux humains ne peuvent pas voir. Image via NASA / Wikipedia.

Mais la lumière ne s'arrête pas au rouge ou au violet. Tout comme il y a des sons que nous ne pouvons pas entendre (mais que les autres animaux peuvent entendre), il existe également une énorme plage de lumière que nos yeux ne peuvent pas détecter. En général, les longueurs d'onde les plus longues proviennent des régions les plus froides et les plus sombres de l'espace. Pendant ce temps, les longueurs d'onde les plus courtes mesurent des phénomènes extrêmement énergétiques.

Les astronomes utilisent tout le spectre électromagnétique pour observer diverses choses. Les ondes radio et les micro-ondes - les plus longues longueurs d'onde et les plus basses énergies de la lumière - sont utilisés pour scruter l'intérieur de nuages ​​interstellaires denses et suivre le mouvement des gaz froids et sombres. Les radiotélescopes ont été utilisés pour cartographier la structure de notre galaxie, tandis que les télescopes à micro-ondes sont sensibles à la lueur persistante du Big Bang.

Cette image du VLBA (Very Large Baseline Array) montre l’aspect de la galaxie M33 si vous pouviez le voir dans les ondes radio. Cette image cartographie le gaz hydrogène atomique dans la galaxie. Les différentes couleurs cartographient les vitesses dans le gaz: le rouge indique que le gaz s'éloigne de nous, le bleu se dirige vers nous. Image via NRAO / AUI.

Les télescopes infrarouges excellent à la recherche d'étoiles froides et faibles, à la découpe de bandes de poussière interstellaires et même à la mesure de la température de planètes dans d'autres systèmes solaires. Les longueurs d'onde de la lumière infrarouge sont suffisamment longues pour naviguer dans les nuages, ce qui bloquerait notre vision. En utilisant de grands télescopes infrarouges, les astronomes ont pu scruter à travers les pistes de poussière de la Voie lactée jusqu'au cœur de notre galaxie.

Cette image des télescopes spatiaux Hubble et Spitzer montre les 300 années-lumière centrales de notre galaxie, la Voie lactée, comme nous le verrions si nos yeux pouvaient voir l’énergie infrarouge. L'image montre des amas d'étoiles massifs et des nuages ​​de gaz tourbillonnants. Image via NASA / ESA / JPL / QD Wang et S. Stolovy.

La majorité des étoiles émettent la majeure partie de leur énergie électromagnétique sous forme de lumière visible, la toute petite partie du spectre à laquelle nos yeux sont sensibles. Parce que la longueur d'onde est en corrélation avec l'énergie, la couleur d'une étoile nous dit à quel point il fait chaud: les étoiles rouges sont les plus froides, les bleues les plus chaudes. Les étoiles les plus froides n'émettent presque aucune lumière visible; ils ne peuvent être vus qu'avec des télescopes infrarouges.

Aux longueurs d'onde plus courtes que le violet, on trouve la lumière ultraviolette ou UV. Peut-être connaissez-vous les rayons UV depuis leur capacité à vous donner un coup de soleil. Les astronomes l'utilisent pour chasser les étoiles les plus énergiques et identifier les régions de naissance des étoiles. Lorsque vous regardez des galaxies lointaines avec des télescopes UV, la plupart des étoiles et des gaz disparaissent et toutes les pépinières stellaires sont visibles.

Une vue de la galaxie spirale M81 dans l'ultraviolet, rendue possible par l'observatoire spatial Galex. Les régions lumineuses présentent des pépinières d'étoiles dans les bras en spirale. Image via la NASA.

Au-delà des UV, viennent les énergies les plus élevées du spectre électromagnétique: rayons X et rayons gamma. Notre atmosphère bloque cette lumière. Les astronomes doivent donc se servir de télescopes dans l’espace pour visualiser l’univers des rayons X et des rayons gamma. Les rayons X proviennent d'étoiles à neutrons exotiques, du vortex de matériaux surchauffés qui gravitent autour d'un trou noir ou de nuages ​​diffus de gaz dans des amas galactiques chauffés à plusieurs millions de degrés. Pendant ce temps, les rayons gamma - la longueur d'onde de lumière la plus courte et mortelle pour l'homme - dévoilent de violentes explosions de supernova, une décroissance radioactive cosmique et même la destruction de l'antimatière. Les sursauts gamma - le bref scintillement de la lumière des rayons gamma des galaxies lointaines lorsqu'une étoile explose et crée un trou noir - font partie des événements singuliers les plus énergiques de l'univers.

Si vous pouviez voir les rayons X sur de longues distances, vous verriez cette vue de la nébuleuse entourant le pulsar PSR B1509-58. Cette image provient du télescope Chandra. Situé à 17 000 années-lumière, le pulsar est le reste en rotation d'un noyau stellaire laissé après une supernova. Image via la NASA.

Conclusion: le spectre électromagnétique décrit toutes les longueurs d’onde de la lumière, qu’elles soient visibles ou non.