La couleur des étoiles :
A la page Observer le Ciel on a vu comment repérer dans le ciel la constellation d'Orion, et y trouver deux étoiles caractéristiques : Bételgeuse et Rigel.
Demandez dans votre entourage quelle est la couleur des étoiles ... Il y a fort à parier qu'après un instant d'étonnement on vous réponde : "Elles sont blanches" ou bien "Elles sont jaunes".
Pourtant, en regardant plus attentivement ...
Voici une photographie réalisée par l'ESO, l'European Southern Observatory (l'Observatoire Européen Austral), dans laquelle on distingue nettement une différence de teinte entre Bételgeuse (encadrée en haut à gauche) et Rigel (en bas à droite) :
photographie : http://www.eso.org
Comment les astronomes expliquent-ils ces différences de couleur ?
Pour y répondre, commençons par regarder sur Terre la vidéo d'un métal chauffé (onglet "Observation" ci-dessous) :
Observation
La vidéo ci-dessous montre du bronze en fusion contenu dans un creuset, en train d'être coulé dans un moule.
Observer :
- la lumière émise par la partie centrale du four
- celle émise par les parois du four ou la paroi du creuset
- celle émise par le bronze en fusion lorsqu'il est coulé dans le moule
- et celle émise par le bronze qui déborde et qui se refroidit
Interprétation
La réponse des physiciens :
La figure ci-dessous donne le spectre d'émission du Soleil (mesure faite sur Terre, avec un spectroscope à fibre optique) :
Ce rayonnement électromagnétique est qualifié de rayonnement thermique. La loi de Planck en donne un modèle théorique pour un "corps noir". Dans une première approximation, un grand nombre de corps constituant l'Univers émettent un rayonnement thermique qui peut être modélisé par la loi de Planck. Les images qui suivent sont des copies d'écran d'une simulation trouvée sur le site du Phet.
Le Soleil
Le Soleil, notre étoile, a une température en surface d'environ 5500 °C (soit 5778K).
La loi de Planck, montre qu'un corps noir ayant une telle température a un profil spectral comme ci-dessous :
Ce corps noir a son pic d'émission dans une gamme de longueurs d'onde comprises entre 400 et 800 nm, gamme qui sera appelée "visible" par les êtres vivants que nous sommes, et qui au fil de l'évolution se sont vus dotés de dispositifs sensibles à ces rayonnements... dispositifs progressivement devenus des yeux !
Des UV et des infrarouges sont également émis
Lampe
Pour essayer de reproduire la lumière solaire, les lampes à incandescence furent inventées. Constituée d'un filament de tungstène porté à haute température, voici le profil spectral du corps noir équivalent :
Pourquoi du tungstène ?
Car c'est le métal qui a la plus haute température de fusion (3400 °C). Evidemment, on ne va pas faire monter le filament jusqu'à cette température. Porté à une température de l'ordre de 2800°C, on voit que cette lampe à filament a son pic d'émission dans le proche infrarouge : une grosse partie de l'énergie électrique consommée sert à produire de l'infrarouge au lieu de lumière visible... d'où l'invention d'autres types de lampes dites économiques (fluo-compactes et LED), qui ne fonctionnent donc pas sur le principe de l'incandescence.
Four
Que dit la physique pour un four de cuisine porté à 200°C...une température pas si élevée que cela !
Ce four émet un rayonnement uniquement dans l'infrarouge !
(Par contre on pourra voir les résistances électriques rougeoyer, car elles sont à une température plus élevée)
Bételgeuse
Pour une étoile comme Bételgeuse, dont la température de surface est voisine de 3200°C. C'est une étoile moins chaude que le Soleil :
Son pic d'émission est dans le proche infrarouge. Elle émet aussi du visible, mais l'intensité émise dans le bleu-violet est faible, ce qui explique la teinte orangée qu'on lui voit
Rigel
Avec l'étoile Rigel, on a fait péter le thermomètre ! Une température en surface qui dépasse les 10 000°C... :
Avec Rigel, le maximum d'émission est passé de l'autre côté du visible, dans l'ultraviolet. Elle émet aussi dans le visible, mais cette fois c'est la proportion de violet et de bleu qui est la plus importante, d'où son aspect blanc-bleuté quand on l'observe
En conclusion
La couleur d'une étoile dépend de sa température en surface :
- une étoile "froide" aura une couleur rouge orangée
- une étoile très chaude une couleur blanc-bleutée
(On voit que cela n'a rien à voir avec les appellations couleurs chaudes et couleurs froides des peintres ou des éclairagistes !) :
Lorsque l'on achète une lampe économique, le fabricant indique la "température de couleur" en kelvins. Il ajoute souvent un petit symbole coloré bleu ou jaune :
2700 K pour celle-ci ("teinte "chaude" !) :
... et 6400K pour la "teinte froide" !!!