Spectre d'émission et loi de Wien

[louisrr]

Bonsoir à tous, une question que je me pose depuis quelques jours. Je sais que la température d'un corps est lié à sa longueur d'onde émise, du moins pour un corps noir (Loi de Wien). Mais par exemple en prenant la nébuleuse du boomerang : endroit naturel le plus froid de l'univers à 1K et pourtant le nuage de gaz émet dans le bleu... Alors que les étoiles les plus chaudes émettent elles aussi dans cette couleur. Comment ça se fait ?
Et 2ème question qui est reliée, les étoiles étant toutes constituées d'hydrogène et d'hélium pourquoi ont-elles des couleurs différents alors qu'elles devraiennt avoir le même spectre d'émission car même éléments chimiques ?
Merci d'avance pour votre aide.
-----

[Lansberg]

Bonjour et bienvenue,

on a un élément de réponse dans wiki pour la température de la nébuleuse : "Cette température particulièrement basse s'explique par la détente du gaz, expulsé à 500 000 km/h (soit environ 140 km/s) par l'étoile centrale". L'origine de ce phénomène provient de la présence d'une autre étoile qui a fusionné avec l'étoile principale ce qui a fourni l'énergie nécessaire pour l'expulsion rapide du gaz de la nébuleuse.

L'émission de lumière de la nébuleuse (pas uniquement dans le bleu : https://www.eso.org/public/belgium-fr/images/potw1724a/ ) est liée à l'excitation des atomes du gaz diffus par le rayonnement de l'étoile. Toute couleur ne se traduit pas en température : dans cette nébuleuse comme dans la nébuleuse d'Orion, la couleur rose est caractéristique d'une raie d'émission de l'hydrogène (on n'est pas dans le cas du corps noir).

Les étoiles sont par contre en première approximation des corps noirs (en réalité il y a des écarts par rapport au corps noir parfait) dont le spectre rend compte de l'équilibre thermique global. La loi de Wien permet de faire le lien entre la température de surface et la longueur d'onde où a lieu l'émission maximale. Les étoiles ne sont pas toutes identiques malgré une composition très proche (pour l'essentiel de l'hydrogène et de l'hélium). Avec des masses et des stades évolutifs différents, les températures de surface ne sont pas les mêmes et les étoiles présentent donc des couleurs différentes.

[louisrr]

Bonjour,
Tout d’abord merci pour votre réponse! Donc si j’ai bien compris la couleur de la nébuleuse est simplement due au spectre d’émission des gaz la composant ? Par exemple le néon lui aussi émettant dans le bleu?
Après je ne sais pas si j’ai bien compris pour les étoiles, c’est le phénomène physique qui m’embete car quelles soient grosses ou petites leur températures dépend de la quantité de matière fusionnée mais leur couleur dépend seulement des spectres d’émissions de leurs éléments non? Car un atome d’hydrogène même très excitée a certaines raies d’émission ? A moins qu’il en ai dans le rouge et dans le bleu ce qui expliquerai ainsi la couleur des étoiles chaudes (bleues) et moins chaudes (rouge-orange)?

[Lansberg]

Bonjour,
Tout d’abord merci pour votre réponse! Donc si j’ai bien compris la couleur de la nébuleuse est simplement due au spectre d’émission des gaz la composant ? Par exemple le néon lui aussi émettant dans le bleu?

On a affaire à une proto-nébuleuse planétaire. L'essentiel est constitué d'hydrogène (émission dans le rouge) et d'hélium et d'enrichissement d'atomes produits par l'étoile durant sa vie : oxygène (émission dans le vert), carbone, lithium....
La couleur bleue provient des poussières éclairées par la lumière de l'étoile. Le bleu est diffusé dans toutes les directions. On a une nébuleuse à réflexion (comme autour des étoiles des Pléiades par exemple). Lorsqu'on photographie la nébuleuse au travers d'un filtre vert-jaune on obtient cet effet.

Après je ne sais pas si j’ai bien compris pour les étoiles, c’est le phénomène physique qui m’embete car quelles soient grosses ou petites leur températures dépend de la quantité de matière fusionnée mais leur couleur dépend seulement des spectres d’émissions de leurs éléments non? Car un atome d’hydrogène même très excitée a certaines raies d’émission ? A moins qu’il en ai dans le rouge et dans le bleu ce qui expliquerai ainsi la couleur des étoiles chaudes (bleues) et moins chaudes (rouge-orange)?

Une étoile est en équilibre thermique, comme un corps noir, et produit un spectre thermique avec toutes les couleurs (spectre continu). C'est indépendant de la matière chauffée, comme la couleur à l'intérieur d'un four isolé ne dépend pas de ce qu'on y a mis. En fonction de la température de surface de l'étoile on aura un maximum émissif pour une certaine longueur d'onde (loi de Wien). La température de surface dépend des caractéristiques de l'étoile (masse, stade évolutif qui se traduit par exemple par la dilatation de l'étoile en fin de vie d'où une surface plus froide et orangée).
La couleur perçue de l'étoile dépend du détecteur. Notre œil intègre l'ensemble des couleurs visibles produites par l'étoile et pas uniquement le maximum émissif. Le Soleil, par exemple, a un maximum émissif dans le vert, mais n'est pas vu de cette couleur car on la mélange avec toutes les autres couleurs émises avec des intensités plus faibles.

Il y a aussi un spectre de raies fines d'absorption (et pas d'émission) qui montre des raies noires caractéristiques des éléments chimiques présents dans l'atmosphère des étoiles et qui se superpose au spectre thermique. Il faut décomposer la lumière de l'étoile pour les mettre en évidence.

[A voir en vidéo sur Futura]

[louisrr]

Bonjour,
Merci encore, c'est donc le spectre thermique qui détermine la couleur des étoiles que l'on perçoit ? Au niveau des atomes ce sont donc ces derniers qui, une fois excités (leur électrons?) émettent ainsi des photons qui ont une couleur se rapprochant du bleu plus leur agitation thermique sera grande ? Je suis désolé car je ne comprend pas bien, comme je l'ai dis, pourquoi les étoiles ont des couleurs différentes alors qu'elles ont les mêmes éléments chimiques qui ne peuvent émettre que dans certaines longueurs d'ondes bien définies.

[Lansberg]

Bonjour,
Merci encore, c'est donc le spectre thermique qui détermine la couleur des étoiles que l'on perçoit ? Au niveau des atomes ce sont donc ces derniers qui, une fois excités (leur électrons?) émettent ainsi des photons qui ont une couleur se rapprochant du bleu plus leur agitation thermique sera grande ?

Un gaz (ou un solide) à haute pression et température, comme dans le cas d'une étoile, produit un spectre thermique, continu, dans lequel la lumière est émise à toutes les longueurs d'onde (toutes les couleurs sont présentes sans discontinuités). Les particules qui constituent le gaz (atomes et ions, électrons si le gaz est ionisé) ont une distribution continue de vitesses. Les collisions aléatoires entre les particules produisent des quantités aléatoires d'énergie et donc des photons à toutes les longueurs d'onde. La couleur de l'étoile est enrichie en bleu si la température de surface est très élevée. Et inversement, elle paraitra plus rouge si la température est plus basse (toujours la loi de Wien)

Je suis désolé car je ne comprend pas bien, comme je l'ai dis, pourquoi les étoiles ont des couleurs différentes alors qu'elles ont les mêmes éléments chimiques....

Un morceau de fer chauffé à des températures différentes voit sa couleur changer. C'est bien le même élément chimique qui présente des couleurs différentes en fonction de la température. C'est pareil pour l'étoile (solide ou gaz à haute pression et à haute température).

.....alors qu'elles ont les mêmes éléments chimiques qui ne peuvent émettre que dans certaines longueurs d'ondes bien définies.

Là, on parle de gaz à basse pression et haute température (la plupart du temps) et soumis au rayonnement continu d'une étoile par exemple. Ce gaz peut être celui de la couronne de l'étoile ou de la nébuleuse qui l'entoure (nébuleuse planétaire). On y trouve en grande majorité des atomes d'hydrogène. Excités, par exemple, par le rayonnement UV de l'étoile, les atomes passent à des niveaux d'énergie plus grands puis se désexcitent en émettant des photons de longueurs d'onde précises car les niveaux d'énergie d'un atome sont quantifiés. La désexcitation peut se faire en cascade, par émissions successives de plusieurs photons, dont la somme des énergies est égale à l’énergie du photon UV excitateur. On identifie souvent la raie rouge H alpha de l'hydrogène (mais l'hydrogène peut émettre aussi dans d'autres couleurs). L'oxygène émet des raies dans le vert.

Mais la couleur de l'étoile n'est pas liée à l'émission de ces raies !

[louisrr]

Ah d'accord! Wow super merci beaucoup vous m'enlevez une belle épine du pied, merci encore bonne soirée!
Vous exercez dans le domaine de l'astronomie/ astrophysique si ce n'est pas indiscret ?

[Lansberg]

Bonjour,

super si c'est plus clair ! Mon domaine était davantage celui de la physique/biophysique mais j'avais suivi un enseignement d'astrophysique il y a longtemps et suis toujours resté passionné par le sujet en amateur !