La lumière en astronomie
Presque tout ce que nous savons sur l’univers est tiré de l’observation attentive de la lumière provenant d’objets lointains. La lumière englobe non seulement la lumière visible, mais aussi tout rayonnement électromagnétique, y compris les signaux radio.
Comme cette lumière a pu voyager pendant des millions d’années, elle nous renseigne aussi sur l’histoire de l’univers. Les astronomes ont mis au point des outils et techniques très perfectionnés pour étudier la lumière qui nous parvient d’objets lointains. Ses propriétés donnent des renseignements sur les objets qui ont émis cette lumière et sur l’espace que celle-ci a traversé. En décomposant la lumière en ses différentes couleurs, nous pouvons déterminer la température de la source, les éléments présents dans l’objet, les éléments que la lumière a traversés, et même la vitesse relative de l’objet par rapport à la Terre. L’orientation des ondes lumineuses peut nous renseigner sur les champs magnétiques au voisinage de l’objet.
Les astronomes décomposent la lumière qui provient de sources lointaines pour en apprendre davantage sur notre univers.
Nature ondulatoire de la lumière
La lumière peut être représentée comme une onde formée de champs électrique et magnétique oscillants, qui sont perpendiculaires l’un par rapport à l’autre ainsi que par rapport à la direction de propagation de l’onde. Pour simplifier, on utilise la direction du champ électrique afin de décrire l’orientation de l’onde. Dans une source de lumière incandescente typique, telle qu’un filament chaud ou une étoile, les champs électriques sont orientés dans des directions aléatoires, et on dit alors que la lumière est non polarisée.
Polarisation
Lorsque tous les champs électriques d’un faisceau lumineux sont orientés dans la même direction, on dit que la lumière est polarisée. On attribue une direction à cette polarisation, par exemple verticale ou horizontale. Si les champs électriques oscillent de manière à balayer un cercle, on dit que la lumière est polarisée circulairement. On attribue une direction à cette polarisation, en disant par exemple que la lumière est polarisée circulairement à gauche ou à droite.
Qu’est-ce qui provoque la polarisation?
La lumière peut être polarisée à la source, ou elle peut devenir polarisée pendant son trajet dans l’espace. La détermination de la quantité de polarisation due à la source lumineuse et de la quantité de polarisation due aux interactions sur la trajectoire de la lumière constitue une partie importante de l’analyse des données.
Polarisation à la source
Lorsque des électrons circulent en spirale autour des lignes de force d’un champ magnétique, ils émettent de la lumière polarisée selon un processus appelé rayonnement synchrotron. L’orientation de la polarisation est déterminée par l’orientation du champ magnétique, de sorte que l’on peut utiliser la polarisation pour cartographier le champ magnétique là où la lumière a été émise.
Polarisation par des champs magnétiques
Les champs magnétiques peuvent changer la polarisation de la lumière selon un processus appelé rotation de Faraday. Lorsque la lumière traverse un champ magnétique, l’orientation de la polarisation linéaire subit une rotation d’un certain angle. L’ampleur de la rotation dépend de l’intensité du champ magnétique, de sorte que l’on peut utiliser cette rotation pour déterminer l’intensité du champ magnétique.
https://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_rotator
Polarisation par de la matière
L’espace est plein de poussière, et la lumière qui traverse cette poussière peut être polarisée si les grains de poussière sont alignés par un champ magnétique. En analysant soigneusement la polarisation à différentes longueurs d’onde, les astronomes peuvent en déduire l’orientation du champ magnétique qui agit sur les particules de poussière.
Polarisation par réflexion
Lorsque la lumière est réfléchie par une surface lisse, la lumière réfléchie est partiellement polarisée. Dans la vie de tous les jours, cela se traduit par des reflets sur des surfaces telles que la neige, l’eau et le verre. Les lunettes de soleil polarisées filtrent les reflets superflus, ce qui diminue l’éblouissement. En astronomie, on peut détecter des exoplanètes en observant attentivement la polarisation de la lumière. La lumière d’une étoile réfléchie par une exoplanète est légèrement plus polarisée que la lumière qui nous parvient directement de l’étoile.
Comment visualise-t-on la polarisation?
Les données de polarisation sont généralement affichées sous forme de marques de graduation sur une image. La longueur d’une marque représente l’intensité de la polarisation linéaire, sa direction représente la direction du vecteur champ électrique, et sa couleur montre quelle fraction de la lumière est polarisée linéairement.
La superposition des marques de graduation sur une image permet de faire le lien entre la polarisation invisible et la luminosité visible. Les lignes tourbillonnantes dans l’image de M87* représentent ces marques de graduation. On peut voir que la polarisation est la plus intense là où la lumière est la plus brillante.
De plus, en observant la polarisation sur une période de plusieurs jours, on constate qu’elle évolue, ce qui laisse supposer la présence d’un processus dynamique dans le disque d’accrétion.
Consortium du télescope EHT, APJL, vol. 910, L13, 24 mars 2021
Que peut-on apprendre à partir de l’image de la polarisation de la lumière?
La polarisation permet de déduire des renseignements sur la source lumineuse et sur le milieu traversé par la lumière. Dans le cas de M87*, la signature de la polarisation est compatible avec des modèles d’une lumière produite par le rayonnement synchrotron du disque d’accrétion, puis d’une rotation de Faraday dans le champ magnétique du disque d’accrétion et du jet. La lumière polarisée que nous observons en provenance de M87* nous apprend que le champ magnétique produit par le plasma extrêmement chaud du disque d’accrétion est suffisamment intense pour limiter la quantité de matière qui tombe dans le trou noir. Ce champ magnétique est probablement la source du jet puissant que l’on voit, dans le spectre visible, s’étendre sur presque 5 000 années-lumière dans l’espace.
Teacher Resources
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