Levez les yeux par une journée claire et ensoleillée et vous verrez un ciel bleu. Mais est-ce la vraie couleur du ciel ? Ou est-ce la seule couleur du ciel ?
Les réponses sont un peu compliquées, mais elles impliquent la nature de la lumière, des atomes et des molécules et certaines parties bizarres de l’atmosphère terrestre. Et les gros lasers aussi—pour la science !
Ciels bleus?
Alors tout d’abord : quand on voit un ciel bleu par une journée ensoleillée, que voit-on ? Voit-on de l’azote bleu ou de l’oxygène bleu ? La réponse simple est non. Au lieu de cela, la lumière bleue que nous voyons est la lumière du soleil dispersée.
Le Soleil produit une large spectre de la lumière visible, que nous voyons comme blanc mais qui comprend toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Lorsque la lumière du soleil traverse l’air, les atomes et les molécules de l’atmosphère diffusent la lumière bleue dans toutes les directions, bien plus que la lumière rouge. C’est ce qu’on appelle la diffusion Rayleigh, et se traduit par un soleil blanc et un ciel bleu par temps clair.
Au coucher du soleil, nous pouvons voir cet effet s’intensifier, car la lumière du soleil doit traverser plus d’air pour nous atteindre. Lorsque le Soleil est proche de l’horizon, presque toute la lumière bleue est diffusée (ou absorbée par la poussière), nous nous retrouvons donc avec un Soleil rouge entouré de couleurs plus bleues.
Mais si tout ce que nous voyons est la lumière du soleil dispersée, quelle est la vraie couleur du ciel ? Peut-être pourrons-nous obtenir une réponse dans la nuit.
La couleur des ciels sombres
Si vous regardez le ciel nocturne, il est évidemment sombre, mais il n’est pas parfaitement noir. Oui, il y a les étoiles, mais le ciel nocturne lui-même brille. Ce n’est pas de la pollution lumineuse, mais l’atmosphère qui brille naturellement.
Par une sombre nuit sans lune à la campagne, loin des lumières de la ville, vous pouvez voir les arbres et les collines se découper sur le ciel.
Cette lueur, appelée airglow, est produite par les atomes et les molécules de l’atmosphère. En lumière visible, l’oxygène produit une lumière verte et rouge, les molécules d’hydroxyle (OH) produisent une lumière rouge et le sodium produit un jaune maladif. L’azote, bien que beaucoup plus abondant dans l’air que le sodium, ne contribue pas beaucoup à la lueur de l’air.
Les couleurs distinctes de la lueur de l’air sont le résultat d’atomes et de molécules libérant des quantités particulières d’énergie (quanta) sous forme de lumière. Par exemple, à haute altitude, la lumière ultraviolette peut diviser les molécules d’oxygène (O₂) en paires d’atomes d’oxygène, et lorsque ces atomes se recombinent plus tard en molécules d’oxygène, ils produisent une lumière verte distincte.
Vous pouvez voir la lueur de l’air sur des sites sombres, tels que l’Observatoire européen austral au Chili.
Lumière jaune, étoiles filantes et images nettes
Les atomes de sodium constituent une fraction infime de notre atmosphère, mais ils constituent une grande partie de la lueur de l’air et ont une origine très inhabituelle : les étoiles filantes.
Vous pouvez voir des étoiles filantes dans n’importe quelle nuit claire et sombre, si vous êtes prêt à attendre. Ce sont de minuscules météores minuscules, produits par des grains de poussière qui se réchauffent et se vaporisent dans la haute atmosphère alors qu’ils se déplacent à plus de 11 kilomètres par seconde.
Alors que les étoiles filantes flamboient dans le ciel, à environ 100 kilomètres d’altitude, elles laissent derrière elles une traînée d’atomes et de molécules. Parfois, vous pouvez voir des étoiles filantes avec des couleurs distinctes, résultant des atomes et des molécules qu’elles contiennent. Les étoiles filantes très brillantes peuvent même laisser des traînées de fumée visibles. Et parmi ces atomes et molécules se trouve une poignée de sodium.
Cette couche élevée d’atomes de sodium est en fait utile aux astronomes. Notre atmosphère est perpétuellement en mouvement, elle est turbulente et elle brouille les images des planètes, des étoiles et des galaxies. Pensez au scintillement que vous voyez lorsque vous regardez le long d’une longue route un après-midi d’été.
Des étoiles guides laser au sodium au Very Large Telescope de l’ESO au Chili.
Pour compenser la turbulence, les astronomes prennent des images rapides d’étoiles brillantes et mesurent la façon dont les images des étoiles sont déformées. Un miroir déformable spécial peut être ajusté pour éliminer la distorsion, produisant des images qui peuvent être plus nettes que celles des télescopes spatiaux. (Bien que les télescopes spatiaux aient toujours l’avantage de ne pas regarder à travers la lueur de l’air.)
Cette technique, appelée « optique adaptative », est puissante, mais il y a un gros problème. Il n’y a pas assez d’étoiles brillantes naturelles pour que l’optique adaptative fonctionne sur tout le ciel. Ainsi, les astronomes fabriquent leurs propres étoiles artificielles dans le ciel nocturne, appelées « étoiles guides laser ».
Ces atomes de sodium sont bien au-dessus de l’atmosphère turbulente, et nous pouvons les faire briller en tirant dessus un laser de puissance réglé sur le jaune distinct du sodium. L’étoile artificielle résultante peut ensuite être utilisée pour l’optique adaptative. L’étoile filante que vous voyez la nuit nous aide à voir l’Univers avec une vision plus nette.
Le ciel n’est donc pas bleu, du moins pas toujours. C’est aussi un ciel nocturne qui brille dans le noir, coloré d’un mélange de vert, de jaune et de rouge. Ses couleurs résultent de la lumière solaire dispersée, de l’oxygène et du sodium des étoiles filantes. Et avec un peu de physique et quelques gros lasers, nous pouvons créer des étoiles jaunes artificielles pour obtenir des images nettes de notre cosmos.
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