Lumières !!!!!
Elle nous vient des étoiles, du Soleil, des tout premiers instants de l’univers, de nos lampes domestiques, etc. Chaque mètre carré de surface terrestre en reçoit en abondance. Il y en a partout !!!! De quoi parle-t-on au juste ???? De lumière bien sûr !!! Mais qu’est-ce que la lumière ??? Comment la définit-on ??? Tantôt elle revêt l’identité d’une onde électromagnétique, tantôt sous forme de photons et aussi sous forme de rayons. Dans cet article, j’aimerais autant que faire se peut, prendre le temps d’expliquer le concept de lumière, entité fondamentale et essentielle en astronomie, afin de mieux comprendre et d’apprécier les sujets connexes.
Lumière… qui es-tu ???
Donnez-lui l’aspect que vous voulez. Cela dépend du sujet traité. Donnez-lui la forme d’une onde lorsque vous parlerez du phénomène de la réfraction. Celle de rayons lorsque vous parlerez des trajets lumineux à l’intérieur de votre télescope. Et finalement celle de photons quand vous traiterez de l’effet photo-électrique sur un CCD. Toutes ces identités lui vont à merveille… elles sont toutes valides.
Au sens strict, la lumière n’est rien d’autre que de la radiation électromagnétique, et cette dernière est produite par des charges en mouvement accéléré. On doit à James Clerk Maxwell, au 19e siècle, le fondement théorique des phénomènes électromagnétiques. Maxwell fonda un système d’équations qui portent son nom (équations de Maxwell) et qui relient tous les aspects électriques et magnétiques dans la nature. Une de ces équations prévoit qu’un champ électrique variant en fonction du temps produit un champ magnétique et vice-versa. Cette grande généralisation d’une loi physique fut un bond de géant pour cette dernière, car il y avait longtemps que l’on cherchait le lien manquant entre l’électricité et le magnétisme.
Mais ce n’est pas tout. La vision de « géant » de Maxwell lui permit de prédire l’existence d’ondes électromagnétiques se propageant à une vitesse c… la vitesse de la lumière. Ultérieurement, un dénommé Hertz a réussi à produire ces ondes, et à prouver le fondement de Maxwell. Les ondes électromagnétiques sont donc formées d’une composante électrique, et d’une composante magnétique oscillant entre eux de façon orthogonale ou perpendiculaire et aussi à la direction de propagation de l’onde. Tout le spectre électromagnétique, des ondes gamma aux ondes radio, en passant par les rayons X, les rayons UV, la lumière visible et l’infrarouge, avec respectivement une augmentation de la longueur d’onde, obéit aux équations de Maxwell. C’est à cause de concepts comme la longueur d’onde, ainsi que la fréquence que nous pouvons déterminer si nous « voyons » cette lumière, et si c’est le cas, qui nous donnera aussi l’occasion de percevoir une sensation de couleur. Pour le sujet qui nous concerne, nous nous limiterons à la lumière visible (pour l’instant) qui n’est qu’une très petite « fenêtre » dans tout le spectre lumineux.
Petit photon…
Un photon est une particule d'énergie qui n'a pas de masse et qui se déplace très rapidement. Fait étrange d'ailleurs, un photon en mouvement a la particularité d'interagir avec la matière comme le fait une onde, c'est-à-dire comme une vague à la surface de l'eau. Puisque l'onde a à la fois une composante électrique et une composante magnétique, on parle « d'onde électromagnétique ».
Le messager de l’information électromagnétique, qui porte le « poids » énergétique de son origine sur ses épaules et qui le transmet dans tout l’univers, est le photon, ce petit paquet d’ondes. L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence, et inversement proportionnelle à la longueur d’onde, le tout en relation avec une constante de la nature nommée constante de Planck et qui vaut 6,626 176 x 10 –34 Joules-secondes. Ainsi, un photon rouge est moins énergétique qu’un photon bleu. Donc pour qu’un faisceau de lumière rouge ait la même énergie qu’un faisceau de lumière bleue, il faut plus de photons.
L’énergie emportée par un photon est très petite. Quand on multiplie la constante de Planck par la fréquence disons d’un photon jaune, on obtient seulement une énergie de 3 dixième de milliardième de joules. Donc, faites le calcul, et vous verrez que dans le cas d’une ampoule de 100 watts, le nombre de photons émis par unité de temps est faramineux… tout près de 100 milliards de milliards chaque seconde !!!!
Personne n’a jamais vu de photons… Pour la même raison, l’œil ne « voit » pas l’illumination ou le flux de photons provenant de la source, mais voit plutôt la luminance, caractérisant la source qui reçoit le rayonnement. Le faisceau en forme de cône que l’on perçoit couramment lorsque l’on regarde en direction d’une source lumineuse est de la lumière diffusée et réfléchie par les agrégats de poussières de toutes sortes, et qui parvient à notre œil. Donc, lorsqu’on « allume » la lumière dans une pièce de la maison, pour « voir clair », les objets doivent d’abord être éclairés, pour ensuite nous « éclairer » à notre tour. Ce que l’on nomme aussi parfois, l’effet d’albédo.
«Un photon est une particule d'énergie qui n'a pas de masse et qui se déplace très rapidement. Fait étrange d'ailleurs, un photon en mouvement a la particularité d'interagir avec la matière comme le fait une onde, c'est-à-dire comme une vague à la surface de l'eau. Puisque l'onde a à la fois une composante électrique et une composante magnétique, on parle « d'onde électromagnétique ».
Source : http://astro-canada.ca/la_lumiere-light-fra
Ah !!!! ces grandeurs énergétiques et photométriques…
Brillance de surface, illumination, luminance, intensité énergétique, lux, lumens, candela… AAAARGH !!!! Il y a de quoi faire perdre la tête à n’importe qui. Révisons ici quelques définitions fondamentales en matière de photométrie et radiométrie, afin de faire un peu de ménage dans cette confusion. Cet exercice n’a qu’un but didactique et peut nous servir dans nos interprétations futures en termes de photométrie ou de radiométrie. À vous de juger si cela vous permettra de comprendre davantage. En astronomie on parle plutôt de magnitude et parfois de brillance de surface. Nous reviendrons sur ces deux concepts dans un prochain article.
Une source de rayonnement quelconque émet un champ de rayonnement autour d’elle. Si elle émet un flux égal dans toutes les directions, on dit que la source est isotrope. Par contre, s’il y a une direction de rayonnement privilégiée, par rapport à une autre, elle est alors anisotrope. Une étoile est considérée comme une source de rayonnement isotrope, et une nébuleuse planétaire, une source anisotrope. Parmi les grandeurs énergétiques utilisées, on distingue les grandeurs physiques qui décrivent la source de rayonnement, et celles qui décrivent la surface qui le reçoit. On parle aussi de radiométrie ou de photométrie. Radiométrie pour les grandeurs physiques ou absolues comme le watt/mètre carré ou encore en photons/stéradian/secondes, et photométrie pour les grandeurs photométriques du genre magnitude, lux, lumens, etc. en rapport de calibration spectrale sur la réponse de l’œil humain.
Grandeurs physiques décrivant l’émetteur
Flux énergétique
Exprimée en watt, c’est la puissance émise. Exemple : le Soleil émet 3.85 x 1026 watts, et une ampoule de 100 watts… 100 watts !!!
Énergie rayonnée
Exprimée en joule, c’est la perte d’énergie que subit la source qui rayonne. Exemple : l’ampoule ci-dessus, d’une durée de 1000 heures, aura rayonné 100 x 1000 x 3600 = 360 millions de joules. Comme exercice, faites le calcul pour le Soleil pendant 10 milliards d’années.
Intensité énergétique
Exprimée en watt par stéradian, c’est-à-dire le flux émis par une source ponctuelle, dans un angle solide donné. Si on reprend la même ampoule, son intensité énergétique est I = 100/4 pi = 8 W/sr.
Émittance énergétique
En watt/mètre carré. Le flux émit par un élément de surface donné. En général, cette grandeur ne correspond qu’à la moitié de l’espace traité. Si l’ampoule émet un flux des deux « côtés », on n’en considère qu’un seul. Exemple, soit r le rayon de notre ampoule, on a : 0,5 x flux énergétiques/4 pi r2 = émittance énergétique.
Grandeurs physiques décrivant une surface qui reçoit le rayonnement.
Éclairement énergétique
En watt/mètre carré. On l’appelle aussi, brillance, ou luminance. Semblable à l’émittance énergétique, mais cette dernière caractérise la source tandis que l’éclairement énergétique caractérise la surface qui reçoit la lumière.
Et pour terminer, décrivons brièvement quelques données photométriques couramment employées.
Le Lumen
L’unité de base du SI en photométrie, égale à un flux d’une Candela/stéradian. Un watt de lumière monochromatique à 550 nanomètres donne 680 lumens. Ce qui représente le seuil de vision photopique (vision de jour) de l’œil humain. Le seuil de vision scotopique (de nuit) à 510 nanomètres vaut 1720 lumens.
La Candela
Une mesure d’intensité. La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 Hz et dont l’intensité énergétique dans cette direction vaut 1/680 watt par stéradian.
Le Lux
Le lux est l’éclairement d’une surface de un mètre carré recevant perpendiculairement un flux de un lumen. Une étoile de magnitude 0.0 éclaire l’atmosphère terrestre avec 2,5 x 10-6 lux.
Dans un langage plus familier aux astronomes amateurs, on connaît la magnitude, équivalent à une intensité ou à une émittance énergétique, et dont la grandeur radiométrique pourrait être le watt/mètre carré, et la brillance de surface qui désigne une intensité spécifique ou énergétique en watt/mètre carré/stéradian. Ces deux unités ajoutent de la confusion dans tout c’beau monde. Ce qui est important, c’est de les placer dans leur contexte. Avec un peu de pratique, vous y arriverez j’en suis sûr.
Un mot sur la brillance de surface en astronomie. Il existe une confusion fréquente concernant cette grandeur. Une question banale pourrait résumer : est-ce qu’un objet d’une brillance de surface donnée apparaîtra plus « brillant » dans un télescope ???? J’vous propose d’y penser.
Le mois prochain, on laisse de côté l’establishment physique, pis on parcourt un sujet plus terre à terre. On plonge dans le télescope pis on étudie le trajet et le comportement de la lumière qui y pénètre !!!
Mario Lessard
La Chronique de Mario, Mars 2003
Références :
http://astro-canada.ca/la_lumiere-light-fra