Comment peut-on observer des nébuleuses ?

L’homme a construit un nombre impressionnant de télescopes depuis la toute première lunette astronomique avec laquelle Galilée découvrit les satellites de Jupiter (qui portent le nom de satellites galiléen au passage). Ils peuvent être terrestres comme les télescopes Keck à Hawaii ou spatiaux comme Hubble et Keppler. Ils se basent sur un système tout simple. Ce sont des récepteurs de lumière. Par lumière, bien entendu, on ne parle pas uniquement du spectre visible (de 400 à 800 nanomètres), mais aussi des infrarouges et ondes radios, tout comme des UVs et des rayons X jusqu’aux gammas. Bref, tous les types de photons. Seule son énergie diffère, par conséquent, d’une longueur d’onde à une autre. Nous pouvons donc voir (avec les satellites spatiaux) toute lumière qui nous parvient, pouvant être émise par n’importe quel objet céleste que ce soit. Mais alors comment peut-on voir les nuages de gaz qui composent les nébuleuses qui ne devraient pas émettre de lumière, à priori ?

Un principe aussi simple que le tube néon au plafond ?

Notre hypothèse de non-émission de lumière est fausse car, sinon, nous ne pourrions pas les observer directement via des télescopes. Le "directement" est très important car sinon telles les éxoplanètes (ou encore les trous noirs), que l’on ne détecte qu’indirectement via les effets qu’ils ont sur les corps émetteurs de lumière environnants. Par conséquent, les gaz des nébuleuses émettent forcément de la lumière. C’est dû au phénomène d’émission spontanée. En effet, même si naturellement un atome se trouve plutôt dans son état fondamental, il est possible de l’exciter. Cet état étant peu stable, il va revenir à son état fondamental en émettant ce surplus d’énergie sous la forme d’un photon (donc de la lumière). Et tout ceci pendant un temps extrêmement faible.

En contrepartie, l’atome ne peut atteindre que des valeurs précises (ou niveaux) d’énergie. Ce sont les orbitales. L’énergie est donc quantifiée et il faut donc fournir exactement la bonne quantité d’énergie à l’atome pour qu’il atteigne une orbitale précise. Dans le cas de nos nébuleuses, véritables pouponnières d’étoiles, on peut trouver l’énergie via les étoiles environnantes qui émettent un spectre continu, c’est-à-dire qu’elles émettent toutes les longueurs d’ondes de façon continue (mais pas forcément avec la même intensité d’une longueur d’onde à une autre, d’après la loi des corps noirs).

L’excitation d’un gaz peut être provoquée par plusieurs sources d’énergie comme la lumière, qui véhicule de l’énergie via la relation de Planck-Einstein, ou un arc électrique. On revient donc à notre tube néon ou à toute lampe dite spectrale. Le laser fonctionne aussi par excitation électrique, mais exploite l’émission stimulée due à des niveaux d’énergie dit métastables, c’est-à-dire que l’atome reste dans un état excité un peu plus longtemps (de l’ordre de la milliseconde).

Longueur d’onde du photon émis et spectre d’émission de raies

Imaginons maintenant un atome d’hydrogène qui a, au préalable, été excité au niveau E₂ et qui reviendrait à son état fondamental E₁. On a donc la relation de Planck-Einstein suivante : |E₂ - E₁|= h.c/λ (avec h la constante de Planck, c la vitesse de la lumière dans le vide, λ la longueur d’onde). Après calcul, on a donc l’émission d’un photon de longueur d’onde d’environ 122 nanomètres (ce qui correspond à la première raie, dans les UVs, de la série dite de Lyman). Cela se traduit par une raie d’émission située à 122 nm, sur le spectre récupéré via un télescope, qui correspond à la désexcitation de notre atome d’hydrogène.

Ainsi, les scientifiques pourront analyser les différentes longueurs d’onde émises par la nébuleuse. Ils pourront, sur ce spectre (discontinu) où n’apparaissent que certaines raies d’émission, déterminer les éléments qui composent le nuage de gaz via la connaissance de certaines raies caractéristiques. En effet, chaque atome a des niveaux d’énergie propres, ce qui donne des raies caractéristiques quasiment propres à chaque atome.

Finalement, il n’y a pas uniquement les étoiles qui peuvent émettre de la lumière. D’une manière différente, tout atome, perdu quelque part dans l’espace, peut émettre de la lumière, après excitation préalable. Cela donne l’occasion aux scientifiques d’observer les prémices de systèmes stellaires et, même la façon dont notre système solaire est né d’un nuage de gaz laissé par l’étoile qui a précédé le soleil. Tout cela avec l’étude des nébuleuses !