L’Univers est parcouru d’ondes électromagnétiques qui renseignent les scientifiques sur les objets qui les ont émises, ou les milieux qu’elles ont traversés. Encore faut-il les capter !

C’est quoi une onde électromagnétique ?

La lumière visible est une onde électromagnétique. Au même titre que les rayons X ou les infrarouges. Mais de quoi s’agit-il ?
 

Vibrations

Une onde est une déformation qui se propage à travers l’espace. Mais une déformation de quoi ? C’est là où il faut distinguer deux types d’ondes :

• Les ondes mécaniques qui se propagent dans un milieu physique, tangible (l’eau, l’air…). Par exemple : les vaguelettes se déplaçant à la surface de l’eau après qu’on y a jeté un caillou. C’est la déformation (on parle plutôt de perturbation ou d’oscillation) des particules du milieu, comme les molécules de l’eau, qui se propage de proche en proche, à la manière de dominos qui tombent les uns à la suite des autres.
• Les ondes électromagnétiques sont d’une autre nature. Elles ne sont pas liées à un milieu physique mais elles correspondent à des oscillations du champ électromagnétique. Il s’agit de la zone théorique qui entoure toute matière possédant une charge électrique, où s’exercent les forces électriques et magnétiques. Les ondes électromagnétiques sont ainsi produites par des charges électriques qui se mettent en mouvement et qui perturbent le champ électromagnétique autour d’elles. Ces ondes peuvent se déplacer dans le vide, contrairement aux ondes mécaniques. La lumière visible, les infrarouges, les ultraviolets, les ondes radio et les ondes - ou rayons - X et gamma sont des ondes électromagnétiques.

Omniprésence

Que ce soit sur Terre ou dans l’Univers, les ondes électromagnétiques sont partout. Elles peuvent être naturelles, comme celles produites par les étoiles, les galaxies ou encore les ondes infrarouges produites par tout corps qui a une température supérieure à – 273 °C (autant dire tout !) Par exemple, tous les êtres vivants (oui, vous aussi) rayonnent d’ondes infrarouges, invisibles à nos yeux mais décelables par des caméras thermiques.

Les ondes électromagnétiques sont aussi générées artificiellement via les appareils électriques : une antenne, un micro-onde ou un appareil de radiographie.

Ça décoiffe

Les ondes électromagnétiques se déplacent toutes à 300 000 km par seconde, soit la vitesse de la lumière dans le vide (c’est comme ça qu’au XIX^e siècle, le physicien James Clerk Maxwell a conclu que la lumière était une onde électromagnétique). Mais chacune a deux caractéristiques propres :

• Sa fréquence qui correspond au nombre d'oscillations en une seconde. Autrement dit, la vitesse à laquelle l’onde oscille.
• Sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance parcourue par l’onde entre deux crêtes. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence : plus cette distance est courte et donc la longueur d’onde petite, et plus la fréquence est élevée.

Le spectre électromagnétique

Les ondes sont ainsi classées en fonction de leur longueur d’onde (et de leur fréquence) selon ce qu’on appelle le spectre électromagnétique. D’un côté, on trouve celles qui ont de grandes longueurs d’onde et qui oscillent plus lentement. Par exemple, les ondes radio – comme celles utilisées pour la télévision ou les téléphones – dont la longueur d’onde peut dépasser la dizaine de kilomètres ! Nos fours à micro-ondes utilisent également un certain type d’ondes radio (les micro-ondes, donc) pour réchauffer nos plats de pâtes. Et de l’autre côté du spectre se trouvent les rayonnements de petite longueur d’onde, moins d’un centième de milliardième de mètre, et qui oscillent extrêmement vite : les ondes X et gamma.

Quant à la lumière visible, elle n’est qu’une petite partie du spectre. Sa longueur d’onde est de l’ordre du milliardième de mètre.

Matière et énergie

Une onde (électromagnétique ou mécanique) ne transporte pas de matière. Lorsqu’un caillou tombe dans une flaque, l’eau oscille de bas en haut mais ne se déplace pas. La preuve : une feuille qui flotte à la surface oscille au passage de l’onde mais n’est pas emportée.

En revanche, une onde transporte de l’énergie. Et plus sa fréquence est élevée, plus l’onde est porteuse d’énergie. Les rayons gamma par exemple, qui ont les plus petites longueurs d’onde, sont très énergétiques, donc nocifs pour le corps humain. Car même si une onde électromagnétique ne peut pas transporter de matière, elle peut réagir avec - ou pas. La matière (gaz, solide, liquide…) peut simplement la laisser filer, mais elle peut aussi l’absorber ou la réfléchir. Cela dépend de la nature de la matière et de la fréquence de l’onde. Par exemple, les rayons X, utilisés en radiographie, traversent la peau et les muscles mais sont absorbés par les os. Ce qui permet de les « photographier ».

Les lumières de l’Univers

Tous les corps (étoiles, planètes, gaz, arbres, fusées, chats, vous, une louche…) émettent ou même réfléchissent toutes sortes d’ondes électromagnétiques. Les évènements cosmiques comme l’explosion d’une étoile en produisent eux aussi. Elles sont donc des mines d’informations pour les scientifiques qui peuvent aujourd’hui étudier l’Univers dans toutes ses longueurs d’onde, grâce à des instruments d’observation comme des télescopes spatiaux.

L’Univers dans le visible

Depuis toujours, nous observons les astres qui émettent ou réfléchissent la lumière visible, captée par nos yeux. Planètes, lunes, étoiles, astéroïdes, galaxies... Avec l’amélioration des instruments, les scientifiques découvrent de nouveaux objets célestes et dressent une carte de plus en plus précise de notre ciel. Le satellite européen Gaia, par exemple, a répertorié et cartographié plus de 2 milliards d’étoiles !

L’Univers en ondes radio

La découverte des ondes radio, au XIX^e siècle, a bouleversé notre façon d’échanger des informations. Très utiles, elles nous servent au quotidien pour téléphoner ou écouter la radio. Mais elles transmettent aussi des informations cruciales sur des astres lointains. Grâce à leurs grandes longueurs d’onde, elles sont en effet capables de traverser les nuages, les poussières, les atmosphères… Elles sont ainsi détectables depuis la surface de la Terre. Pour les capter et les décrypter, on a donc développé des instruments spécifiques : c’est ainsi qu’est née la radioastronomie. Les ondes radio ont par exemple permis de découvrir les pulsars, ces noyaux d’étoiles qui tourbillonnent en produisant des faisceaux d’ondes radio.

L’Univers des hautes énergies

Les corps extrêmement chauds (comme les étoiles géantes bleues) ou les phénomènes ultraviolents de l’Univers (explosion ou implosion d’étoiles, trous noirs…) émettent des rayons X et gamma, les rayonnements électromagnétiques les plus énergétiques. Il faut alors des télescopes spécifiques pour arriver à les capter, comme le futur télescope européen Athena (voir ci-après).

L’Univers en infrarouge

Les ondes infrarouges sont également connues sous le nom de rayonnement thermique. Car, comme on l’a vu, elles sont émises par tous les corps dont la température est supérieure – 273,15 °C (ou zéro absolu).

L’astronomie infrarouge, qui étudie ces rayonnements, présente de nombreux intérêts :

• Le rayonnement infrarouge, de par sa longueur d’onde, traverse les nuages de poussières de l’Univers, sans être absorbé ou dispersé. On peut donc voir à travers, ce qui se passe « derrière ».
• Elle aide également à détecter des corps « froids », naines brunes ou exoplanètes par exemple. Ces objets, dont la température n’excède pas 1 500 °C, ne sont pas assez chauds pour produire de la lumière visible et émettent principalement des infrarouges. L’imagerie infrarouge est donc la seule capable de les examiner.
• Observer des astres ou des phénomènes qui sont apparus il y a très longtemps. En effet, l’Univers est en expansion, il s’étire, et donc les premières étoiles par exemple s’éloignent de nous. Et leur lumière « s’étire » : leur longueur d’onde s’agrandit et se décale vers la gamme des infrarouges. Ce phénomène physique est appelé « décalage vers le rouge ».

L’ingénierie pour capter les ondes électromagnétiques

Aujourd’hui, les télescopes sont capables de capter tous les types d’ondes électromagnétiques, lumière visible, infrarouges, rayons gamma... Ils s’utilisent depuis la Terre ou sont embarqués sur des satellites pour capter les types d’onde qui ne traversent pas l’atmosphère terrestre.

Télescopes optiques

On qualifie « d’optique » les instruments qui captent la lumière visible : lunettes, télescopes, qu’ils soient sur Terre comme à l’Observatoire du Pic du Midi ou dans l’espace (satellites Hubble ou Euclid). Leur fonctionnement est fondé sur le principe physique de réflexion de la lumière visible, qui « rebondit », se réfléchit sur des miroirs. Cela permet de concentrer le flux de lumière pour voir des objets très lointains, peu lumineux.

Beaucoup de télescopes optiques spatiaux sont aussi tournés vers la Terre, pour observer notre planète.

Télescopes infrarouges

Les ondes infrarouges sont absorbées par la vapeur d’eau de notre atmosphère. Comme elles n’atteignent pas la surface de la Terre, elles sont donc étudiées depuis l’espace. Le télescope infrarouge le plus célèbre aujourd’hui est l’américain James Webb (JWST pour les intimes). Mais il a de nombreux prédécesseurs : IRAS (Nasa, 1983-2016), Herschel (ESA, 2009-2013), Spitzer (NASA, 2003-2020), etc.

Observatoires d’ondes ultra-énergétiques

Les rayons X, gamma et une partie des ultraviolets ne traversent pas l’atmosphère terrestre – et heureusement pour nous ! Ils s’étudient donc eux aussi depuis l’espace. XMM Newton (ESA, 1999-2025), Chandra (NASA, 1999-), INTEGRAL (ESA, 2002-2025) ou encore l’européen Athena à l’horizon 2037 sont quelques exemples de télescopes spatiaux dédiés à l’étude de ces ondes.

Mais fabriquer un télescope à rayons X ou gamma est un défi d’ingénierie. Car si la lumière se réfléchit sur les miroirs ou les lentilles, ce n'est pas le cas des rayonnements de haute énergie qui passent au travers !

L’observatoire spatial franco-chinois SVOM, par exemple, développé pour capter les rayons gamma, fonctionne à l’aide d’un masque codé intégré dans l’instrument français ECLAIRs : il s’agit d’un filtre, en tungstène ou encore en tantale, qui stoppe les ondes gamma avant qu’elles n’arrivent sur le détecteur. Ce masque est toutefois parsemé de trous, répartis selon des motifs précis, qui laissent passer une partie des rayons gamma, dessinant donc comme un schéma sur le détecteur. Ce sont ensuite des ordinateurs embarqués qui déduisent de ce schéma la provenance des ondes.