Astronomie: la spectroscopie

En 2011, l'acquisition d'un Star Analyser proposé par Shelyak Instruments m'a permis de découvrir cette passionnante discipline qu'est la spectroscopie. La possibilité de connaître la nature des étoiles par l'étude du message lumineux qu'elles portent en utilisant un simple filtre vissé sur une webcam a complétement modifié ma façon de les percevoir.
En 2018, notre association Astronomie Gironde 33 ( AG33) fait l'acquisition d'un Alpy 600 pour permettre à ses adhérents de s'initier à/ou de pratiquer la spectroscopie. Développé de nouveau par Shelyak Instruments, société créative et innovante dans ce domaine de l'astronomie, l'Alpy 600 est un spectroscope entièrement modulable, pouvant recevoir dans sa version complète, un module de guidage et un module de calibration.
Que ce soit avec le Star Analyser ou l'Alpy 600, on reste dans la basse résolution (100 traits/mm pour le SA et 600 traits pour l'Alpy). Mais l'Alpy 600 permet de faire des observations nettement supérieures en terme de résolution, de qualité et de précision.
Bref pour moi, c'est le coup de coeur, qui m'amène rapidement à envisager l'achat d'un Alpy...

En suivant les liens donnés ci-dessous (les 2 vignettes), je vous propose des résumés d'observations menées avec le Star Analyser, ou avec l'Alpy.
Dans cette même page, vous trouverez un rapide survol historique de cette admirable science qu'est la spectroscopie, qui a fait faire d'inestimables progrès à pratiquement tous les domaines de la science (physique, chimie, astronomie etc...), une introduction à la classification des étoiles, qui n'a rien d'exhaustive, et enfin, vous trouverez des titres d'ouvrages et quelques liens de sites Internet.

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L'Alpy - Page en construction

Un peu d'histoire

En 1671, Isaac Newton (1642-1727) utilise, pour la première fois, le terme de spectrum, spectre, pour qualifier l'arc-en-ciel de couleurs qu'il avait obtenu lors de son expérience de décomposition d'un rayon solaire à l'aide d'un prisme de verre. Puis, durant son experimentum crucis (expérience cruciale), il isole, au moyen d'un diaphragme, l'une des couleurs produites par un premier prisme, et la dirige vers un autre prisme. Il constate que le faisceau monochromatique n'est pas dispersé en un autre arc-en-ciel par le second prisme. Lors d'une nouvelle expérience, Newton décompose un faisceau solaire avec un premier prisme, puis recompose un faisceau de lumière blanche avec un deuxième prisme pour enfin le redécomposer avec un troisième prisme. Avec Newton qui expérimente et analyse la lumière, la science des couleurs affirment son caractère mathématique. Dans son ouvrage Opticks publié en 1704, il expose sa théorie corpusculaire de la lumière laquelle, malgré tout le talent de son auteur, comporte de sérieuses lacunes, notamment à propos de la diffraction.
Plus tard, Thomas Young (1773-1829)  établit de façon indiscutable le caractère ondulatoire de la lumière, lors de sa célèbre expérience connue sous le nom d' Expérience des trous de Young : 2 petits trous très rapprochés l'un de l'autre sont disposés sur un écran et sont éclairés par un pinceau lumineux. Ils forment alors 2 faisceaux lumineux qui, en se superposant, vont créer un champ et des franges d'interférences (zones alternativement claires et foncées). En utilisant de la lumière monochromatique et en mesurant l'écart entre 2 franges claires consécutives, Thomas Young calcule la longueur d'onde de chaque couleur. Malgré ses publications dans le Philosophical Transactions , sa Théorie des Couleurs ne rencontre pas le succès espéré outre-Manche.
C'est Augustin Fresnel (1788-1827) qui prolonge et complète les travaux sur la théorie ondulatoire de la lumière. Il remplacera pour ses propres expériences les trous par des fentes (fentes de Young) et obtiendra des franges d'interférences beaucoup plus lumineuses.
Encore un peu plus tard, en 1905, l'explication théorique de l'effet photo-électrique par Albert Einstein (1879-1955) viendra contester le statut ondulatoire de la lumière. Il faudra désormais compter sur la dualité onde-particule et sur le photon pour définir la nature de la lumière. En tout état de cause, l'ensemble des travaux scientifiques du 19e siècle ont abouti à la naissance de la spectroscopie et à la connaissance, de ce qui, a priori, semblait hors de portée de l'entendement humain, la nature physique des étoiles.

 

La classification des étoiles

• Les étoiles sont classées d'après l'analyse des caractéristiques de leur spectre. Les études menées à la fin du XIX e siècle et dans le premier quart du XX e siècle ont abouti à une classification se fondant sur la relation entre la luminosité et la température de surface des étoiles. Le diagramme HR (1910), ainsi dénommé en l'honneur de Ejnar Hertzsprung ( 1873-1967) et Henry Norris Russel (1877-1957), est un graphique qui porte en abscisse la température (le type spectral) des étoiles et en ordonnée leur luminosité. Environ 80% des étoiles se distribuent sur la diagonale du graphique nommée série principale. (Pour de plus amples informations, voir cet excellent document de JP Malatrey du club d'astronomie Quasar95 : Le Diagramme HR ).
La Classification de Harvard a été définie par Annie Jump Cannon (1863-1941). Elle prolongea et développa les travaux de Williamina Fleming (1857-1911) et d'Antonia Maury (1866-1952), toutes trois travaillant sous la houlette d'Edward Charles Pickering (1846-1919), directeur du Harvard College Observatory. Cette classification repose sur l'analyse de l'aspect visuel de plusieurs milliers de spectres collectés sur des plaques photographiques et utilise les lettres de l'alphabet OBAFGKM associées à un type spectral particulier - du plus chaud au plus froid.

• La séquence OBAFGKM
Connue par le procédé mnémonique "O Be A Fine Girl/Guy Kiss Me", cette séquence définit les caractéristiques spectrales de chaque type d'étoiles selon leur température : des étoiles de température élevée de type O jusqu'aux étoiles de basse température de type M. Chaque type spectral est également subdivisé de 0 à 9 en fonction des températures décroissantes. Par exemple; le Soleil, avec une température de surface de 5800K, est une étoile de type G2. Plus tard, la classification sera affinée par l'introduction de préfixes (tel que g pour géante), de suffixes (tel que e pour emission), de chiffres romains (de I à VII pour les classes de luminosité) et par l'ajout de nouvelles classes spectrales telles que W pour les étoiles de Wolf-Rayet, L et T pour les naines brunes etc...

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Les Sources : ouvrages, textes, sites

Les Livres
• Guide pratique pour (bien) débuter en spectroscopie amateur
François Cochard - EDP Sciences 2016 - ISBN 978-2-7598-1784-9
• Astronomie Astrophysique
Agnès Acker - Dunod 2005 4e édition - ISBN 2-10-005462-7
• Astronomie et Astrophysique
Seguin et Villeneuve - De Boeck Université 2002 - ISBN 2-8041-4012-1
• Astronomie Astrophysique
Agnès Acker - Dunod 2005 4e édition - ISBN 2-10-005462-7
• L'astronomie au féminin
Yaël Nazé - Vuibert 2008 2e édition - ISBN 978-2-7117-2220-4
• Dictionnaire d'Astronomie
Philippe de la Cotardière - Larousse 1987 - ISBN 2-03-720019-6
• Une Histoire de la Lumière - La Spectroscopie
Stéphane Le Gars - Vuibert, Adapt-Snes éd. 2010 - ISBN Vuibert 978-2-311-00859-3 et Adapt 978-2-35656-034-6
• Les étoiles
Dominique Proust, Jacques Breysacher - Éditions Le Seuil 1996 - ISBN 2-02-023781-4
• Stellar Spectral Classification
Richard O.Gray, Christopher J.Corbally - Princeton Univerty Press 2009 - ISBN 970-0-691-12510-7
Les Textes
• Spectra of bright stars photographed with the 11-inch Draper Telescope as part of the Henry Draper Memorial.
Antonia C.Maury, Edward C. Pickering - Annals of Harvard College Observatory, vol. 28, Part. I, pp.1-128 - 1897
Le texte sur SAO/NASA ADS
• Spectra of bright southern stars photographed with the 13-inch Boyden telescope as part of the Henry Draper Memorial.
Annie Jump Cannon, Edward C. Pickering - Annals of Harvard College Observatory, vol. 28, Part.II, pp.129-263 - 1901
Le texte sur SAO/NASA ADS
• Classification of 1,477 stars by means of their photographic spectra.
Annie Jump Cannon - Annals of the Astronomical Observatory of Harvard College ; v. 56, no. 4 - 1912
Le texte sur SAO/NASA ADS
• Stellar Atmospheres; a Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars.
Cecilia Payne-Gaposchkin - Thèse, Source: American Doctoral Dissertations - 1926
Le texte sur SAO/NASA ADS
• An atlas of stellar spectra, with an outline of spectral classification.
William W.Morgan, Phillip C.Keenan, Edith Kellman - Astrophys. monographs, Univ. Chicago Press - 1943
Le texte sur Caltech.Edu
Les Sites
• Astronomical Ring for Access to Spectroscopy (ARAS)
Le site ARAS
Les types spectraux sur le site Aras
• Christian Buil
Son site
• Valérie Desnoux
Son site
• A Guide to the Stellar Spectral Classes - Richard Walkers
Son site