Les spectromètres

Décomposer la lumière pour en extraire de l’information

Photo en noir et blanc d'un homme, dans ses habits de jésuite

Un spectromètre est un instrument qui mesure les propriétés de la lumière sur une portion du spectre électromagnétique. Il existe deux sortes de spectromètres : le spectroscope et le spectrographe.

Le premier spectroscope voit le jour en 1859. Inventé par le chimiste allemand Robert Wilhelm Bunsen et le physicien allemand Gustav Robert Kirchhoff, il est utilisé pour identifier des matériaux qui génèrent de la lumière lorsqu’ils sont chauffés. La lumière est généralement décomposée par un prisme en un spectre que l’on observe au travers d’une lunette graduée. La position des raies produites permet alors d’identifier la composition chimique du corps étudié.

En 1860, l’astronome italien Giovanni Battista Donati a l’idée de coupler un spectroscope à son télescope. Il étudie les spectres d’une quinzaine d’étoiles et publie ses résultats en 1863. Il est suivi de près en 1862 par l’astronome américain Lewis Morris Rutherfurd, l’astronome italien Angelo Secchi et l’astronome amateur britannique William Huggins qui travaillent indépendamment sur le Soleil, les planètes, la Lune et les étoiles.

Rutherfurd et Secchi sont les premiers à classer les étoiles en groupes selon les caractéristiques de leurs spectres. Huggins, quant à lui, est secondé par le chimiste William Allen Miller avec lequel il analyse les spectres d’absorption de quelques étoiles. Les deux chercheurs montrent que les atmosphères des étoiles sont composées des mêmes éléments chimiques que ceux trouvés sur Terre.

En 1864, Donati est le premier à observer de façon claire le spectre d’une comète (la comète 1864b). La même année, Huggins et Miller arrivent quant à eux à démontrer par spectroscopie que les nébuleuses sont des nuages de gaz et non des étoiles.

Sous l’impulsion de ces découvertes spectaculaires, les spectroscopes seront continuellement améliorés lors des années 1900. Aujourd’hui, ils sont entièrement automatisés et contrôlés par ordinateur, la lecture des raies se faisant à l’aide d’un détecteur de photons.

Photo en noir et blanc d'un homme regardant vers sa gauche, portant une barbe longue et un veston noir

Un spectrographe fonctionne comme un spectroscope sauf que la lunette graduée est remplacée par un détecteur quelconque qui enregistre le spectre de l’objet observé. Les premiers spectrographes utilisent comme détecteur une caméra photographique.

Photo en noir et blanc d'un homme regardant vers la droite et portant de longs favoris et un complet

Les débuts de ce qui allait devenir la spectrographie se font en 1842. Le physicien français Alexandre Edmond Becquerel place alors une plaque de daguerréotype devant le spectre de la lumière du Soleil et enregistre l’image. C’est la première photographie du spectre solaire.

L’expérience est répétée en 1843 par le médecin et chimiste américain John William Draper. Grâce à un long temps d’exposition, Draper parvient à identifier de nouvelles lignes d’absorption dans la région de l’ultraviolet. En l’absence d’une théorie qui explique la formation des raies spectrales (celle-ci viendra en 1859 avec Bunsen et Kirchhoff), Draper n’est malheureusement pas en mesure d’expliquer la signification de sa découverte.

En 1863, Huggins et Miller photographient le spectre des étoiles Sirius et Capella sur une plaque de collodion humide. Ils obtiennent ainsi le premier spectrogramme (la première image d’un spectre) d’une étoile autre que le Soleil. Aucune raie d’absorption n’est cependant visible et le spectre apparaît continu. Ce sera John William Draper, en 1872, qui parviendra le premier à enregistrer les raies d’absorption d’une étoile (en l’occurrence Véga). Le monde de l’astronomie subit alors une véritable révolution et nombre d’astronomes se mettent ensuite à la spectroscopie.

Aujourd’hui, environ 90 % de nos connaissances sur les étoiles nous ont été enseignées par la spectroscopie. Les plaques photographiques, quant à elles, ont cédé la place aux caméras à dispositif de transfert de charge (ou CCD pour Charge Couple Device, en anglais). De nombreux Canadiens tels que Gerhard Herzberg sont reconnus mondialement pour avoir fait office de pionniers en spectroscopie astronomique.

Photographie en noir et blanc d'un homme souriant et regardant vers sa droite.

Anthony Moffat explique ce qu'est le spectre électromagnétisme.

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ASTROLab du Parc National Mont-Mégantic

Le spectre électromagnétique est un moyen de décrire comment des radiations sont émises à partir de corps qui sont chauds. Ceci inclus les rayons gamma, les rayons X, les radiations ultraviolettes, les ondes optiques, les ondes infrarouges, et les ondes radio. La distinction entre ces types de radiations n'est qu'une question d'énergie, de photons; c'est-à-dire les ondes qui se propagent. Évidemment, il y en a des millions et habituellement votre oeil ne peut les voir. La seule différence entre elles est leur énergie et elles peuvent toutes être décrites avec les mêmes lois de la physique.

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